Том 25 № 3 2023 1 СОДЕРЖАНИЕ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ СОУЧРЕДИТЕЛИ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» ООО НПКФ «Машсервисприбор» ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР Батаев Анатолий Андреевич – профессор, доктор технических наук, ректор НГТУ ЗАМЕСТИТЕЛИ ГЛАВНОГО РЕДАКТОРА Иванцивский Владимир Владимирович – доцент, доктор технических наук Скиба Вадим Юрьевич – доцент, кандидат технических наук Ложкина Елена Алексеевна – редактор перевода текста на английский язык, кандидат технических наук Перепечатка материалов из журнала «Обработка металлов» возможна при обязательном письменном согласовании с редакцией журнала; ссылка на журнал при перепечатке обязательна. За содержание рекламных материалов ответственность несет рекламодатель. 16+ РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ Председатель совета Пустовой Николай Васильевич – доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ, член Национального комитета по теоретической и прикладной механике, президент НГТУ, г. Новосибирск (Российская Федерация) Члены совета Федеративная Республика Бразилия: Альберто Морейра Хорхе, профессор, доктор технических наук, Федеральный университет, г. Сан Карлос Федеративная Республика Германия: Монико Грайф, профессор, доктор технических наук, Высшая школа Рейн-Майн, Университет прикладных наук, г. Рюссельсхайм, Томас Хассел, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен, Флориан Нюрнбергер, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен Испания: Чувилин А.Л., кандидат физико-математических наук, профессор, научный руководитель группы электронной микроскопии «CIC nanoGUNE», г. Сан-Себастьян Республика Беларусь: Пантелеенко Ф.И., доктор технических наук, профессор, член-корреспондент НАН Беларуси, Заслуженный деятель науки Республики Беларусь, Белорусский национальный технический университет, г. Минск Украина: Ковалевский С.В., доктор технических наук, профессор, проректор по научно-педагогической работе Донбасской государственной машиностроительной академии, г. Краматорск Российская Федерация: Атапин В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Балков В.П., зам. ген. директора АО «ВНИИинструмент», канд. техн. наук, г. Москва, Батаев В.А., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Буров В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Коротков А.Н., доктор техн. наук, профессор, академик РАЕ, КузГТУ, г. Кемерово, Лобанов Д.В., доктор техн. наук, доцент, ЧГУ, г. Чебоксары, Макаров А.В., доктор техн. наук, член-корреспондент РАН, ИФМ УрО РАН, г. Екатеринбург, Овчаренко А.Г., доктор техн. наук, профессор, БТИ АлтГТУ, г. Бийск, Сараев Ю.Н., доктор техн. наук, профессор, ИФПМ СО РАН, г. Томск, Янюшкин А.С., доктор техн. наук, профессор, ЧГУ, г. Чебоксары Журнал входит в «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук». Полный текст журнала «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» теперь можно найти в базах данных компании EBSCO Publishing) на платформе EBSCOhost. EBSCO Publishing является ведущим мировым агрегатором научных и популярных изданий, а также электронных и аудиокниг. ИЗДАЕТСЯ С 1999 г. Периодичность – 4 номера в год ИЗДАТЕЛЬ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВИНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по периодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory» Журнал награжден в 2005 г. Большой Золотой Медалью Сибирской Ярмарки за освещение новых технологий, инструмента, оборудования для обработки металлов Журнал зарегистрирован 01.03.2021 г. Федеральной службой по надзору за соблюдением законодательства в сфере массовых коммуникаций и охране культурного наследия. Свидетельство о регистрации ПИ № ФС77-80400 Индекс: 70590 по каталогу OOO «УП УРАЛ-ПРЕСС» Адрес редакции и издателя: 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет (НГТУ), корп. 5. Тел. +7 (383) 346-17-75 Сайт журнала http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Цена свободная Журнал «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» индексируется в крупнейших в мире реферативнобиблиографическихи наукометрических базах данных Web of Science и Scopus.
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 3 2023 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Салихянов Д.Р., Мичуров Н.С. Моделирование процесса прокатки слоистого композита АМг3/ Д16/АМг3............................................................................................................................................................ 6 Ильиных А.С., Пикалов А.С., Милорадович В.К., Галай М.С. Экспериментальные исследования режимов скоростного шлифования рельсов.................................................................................................... 19 Салихянов Д.Р., Мичуров Н.С. Концепция микромоделирования процесса соединения разнородных материалов пластической деформацией.......................................................................................................... 36 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Тратия Д.K., Шеладия М.В., Ачарья Г.Д., Ачарья Ш.Г. Разработка экономичной конструкции коленчатого вала механического пресса с С-образной станиной на основании результатов анализа топологии............................................................................................................................................................ 50 Скиба В.Ю., Вахрушев Н.В., Титова К.А., Черников А.Д. Рационализация режимов поверхностной закалки ВЭН ТВЧ рабочих поверхностей пуансона в условиях гибридной обработки............................. 63 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Руктуев А.А., Юргин А.Б., Шикалов В.С., Ухина А.В., Чакин И.К., Домаров Е.В., Довженко Г.Д. Структура и свойства композиционного покрытия на основе высокоэнтропийного сплава, упрочненного частицами CrB.................................................................................................................................... 87 Майтаков А.Л., Грачев А.В., Попов А.М., Ли С.Р., Ветрова Н.Т., Плотников К.Б. Исследование рассеяния энергии и жесткости сварных соединений стыковой сварки давлением................................... 104 Сингх С.П., Хирвани Ч.К. Анализ механических свойств и характеристик свободных колебаний волокнистого полимерного композита на основе обработанных волокон муньи........................................ 117 Прибытков Г.А., Барановский А.В., Коржова В.В., Фирсина И.А., Кривопалов В.П. Синтез интерметаллидов системы Ti–Fe из смесей элементарных порошков......................................................... 126 Сингх С.П., Хирвани Ч.К. Анализ механических свойств и характеристик свободных колебаний полимерного композита на основе переплетенных обработанных волокон джута..................................... 137 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ 152 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 163 Корректор Е.Е. Татарникова Художник-дизайнер А.В. Ладыжская Компьютерная верстка Н.В. Гаврилова Налоговая льгота – Общероссийский классификатор продукции Издание соответствует коду 95 2000 ОК 005-93 (ОКП) Подписано в печать 06.09.2023. Выход в свет 15.09.2023. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 20,5. Уч.-изд. л. 38,13. Изд. № 167. Заказ 245. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 25 No. 3 2023 3 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL BOARD EDITOR-IN-CHIEF: Anatoliy A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Rector, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation DEPUTIES EDITOR-IN-CHIEF: Vladimir V. Ivancivsky, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Vadim Y. Skeeba, Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Editor of the English translation: Elena A. Lozhkina, Ph.D. (Engineering), Department of Material Science in Mechanical Engineering, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation The journal is issued since 1999 Publication frequency – 4 numbers a year Data on the journal are published in «Ulrich's Periodical Directory» Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working and Material Science”) has been Indexed in Clarivate Analytics Services. Novosibirsk State Technical University, Prospekt K. Marksa, 20, Novosibirsk, 630073, Russia Tel.: +7 (383) 346-17-75 http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Journal “Obrabotka Metallov – Metal Working and Material Science” is indexed in the world's largest abstracting bibliographic and scientometric databases Web of Science and Scopus. Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working & Material Science”) has entered into an electronic licensing relationship with EBSCO Publishing, the world's leading aggregator of full text journals, magazines and eBooks. The full text of JOURNAL can be found in the EBSCOhost™ databases.
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 3 2023 4 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL COUNCIL CHAIRMAN: Nikolai V. Pustovoy, D.Sc. (Engineering), Professor, President, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation MEMBERS: The Federative Republic of Brazil: Alberto Moreira Jorge Junior, Dr.-Ing., Full Professor; Federal University of São Carlos, São Carlos The Federal Republic of Germany: Moniko Greif, Dr.-Ing., Professor, Hochschule RheinMain University of Applied Sciences, Russelsheim Florian Nürnberger, Dr.-Ing., Chief Engineer and Head of the Department “Technology of Materials”, Leibniz Universität Hannover, Garbsen; Thomas Hassel, Dr.-Ing., Head of Underwater Technology Center Hanover, Leibniz Universität Hannover, Garbsen The Spain: Andrey L. Chuvilin, Ph.D. (Physics and Mathematics), Ikerbasque Research Professor, Head of Electron Microscopy Laboratory “CIC nanoGUNE”, San Sebastian The Republic of Belarus: Fyodor I. Panteleenko, D.Sc. (Engineering), Professor, First Vice-Rector, Corresponding Member of National Academy of Sciences of Belarus, Belarusian National Technical University, Minsk The Ukraine: Sergiy V. Kovalevskyy, D.Sc. (Engineering), Professor, Vice Rector for Research and Academic Aff airs, Donbass State Engineering Academy, Kramatorsk The Russian Federation: Vladimir G. Atapin, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Victor P. Balkov, Deputy general director, Research and Development Tooling Institute “VNIIINSTRUMENT”, Moscow; Vladimir A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Vladimir G. Burov, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Aleksandr N. Korotkov, D.Sc. (Engineering), Professor, Kuzbass State Technical University, Kemerovo; Dmitry V. Lobanov, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary; Aleksey V. Makarov, D.Sc. (Engineering), Corresponding Member of RAS, Head of division, Head of laboratory (Laboratory of Mechanical Properties) M.N. Miheev Institute of Metal Physics, Russian Academy of Sciences (Ural Branch), Yekaterinburg; Aleksandr G. Ovcharenko, D.Sc. (Engineering), Professor, Biysk Technological Institute, Biysk; Yuriy N. Saraev, D.Sc. (Engineering), Professor, Institute of Strength Physics and Materials Science, Russian Academy of Sciences (Siberian Branch), Tomsk; Alexander S. Yanyushkin, D.Sc. (Engineering), Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary
Vol. 25 No. 3 2023 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Salikhyanov D.R., Michurov N.S. Simulation of the rolling process of a laminated composite AMg3/ D16/AMg3.......................................................................................................................................................... 6 Ilinykh A.S., Pikalov A.S., Miloradovich V.K., Galay M.S. Experimental studies of high-speed grinding rails modes.......................................................................................................................................................... 19 Salikhyanov D.R., Michurov N.S. The concept of microsimulation of processes of joining dissimilar materials by plastic deformation......................................................................................................................... 36 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Tratiya D.K., Sheladiya M.V., Acharya G.D., Acharya S.G. Economical crankshaft design through topology analysis for C type gap frame power press SNX-320.......................................................................... 50 Skeeba V.Yu., Vakhrushev N.V., Titova K.A., Chernikov A.D. Rationalization of modes of HFC hardening of working surfaces of a plug in the conditions of hybrid processing................................................................ 63 MATERIAL SCIENCE Ruktuev A.A., Yurgin A.B., Shikalov V.S., Ukhina A.V., Chakin I.K., Domarov E.V., Dovzhenko G.D. Structure and properties of HEA-based coating reinforced with CrB particles.................................................. 87 Maytakov A.L., Grachev A.V., Popov A.M., Li S.R., Vetrova N.T., Plotnikov K.B. Study of energy dissipation and rigidity of welded joints obtained by pressure butt welding................................................... 104 Singh S.P., Hirwani C.K. Analysis of mechanical behavior and free vibration characteristics of treated Saccharum munja fi ber polymer composite...................................................................................................... 117 Pribytkov G.A., Baranovskiy A.V., Korzhova V.V., Firsina I.A., Krivopalov V.P. Synthesis of Ti–Fe intermetallic compounds from elemental powders mixtures.............................................................................. 126 Singh S.P., Hirwani C.K. Free vibration and mechanical behavior of treated woven jute polymer composite............................................................................................................................................................ 137 EDITORIALMATERIALS 152 FOUNDERS MATERIALS 163 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 3 2023 104 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Исследование рассеяния энергии и жесткости сварных соединений стыковой сварки давлением Анатолий Майтаков a, *, Алексей Грачев b, Анатолий Попов c, Сергей Ли d, Надежда Ветрова e, Константин Плотников f Кемеровский государственный университет, ул. Красная, 6, г. Кемерово, 650000, Россия a https://orcid.org/0000-0002-0714-204X, may585417@mail.ru, b https://orcid.org/0009-0008-3997-5282, kafedra.mats@yandex.ru, c https://orcid.org/0000-0003-0728-7211, popov4116@yandex.ru, d https://orcid.org/0000-0001-7174-2501, li@kemsu.ru, e https://orcid.org/0000-0002-7131-0511, veteroknadi@mail.ru, f https://orcid.org/0000-0003-4145-0027, k.b.plotnikov@mail.ru Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2023 Том 25 № 3 с. 104–116 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2023-25.3-104-116 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov Введение При рассеянии энергии, связанной с внутренним трением, чрезвычайно важным является выбор методики измерения, так как от этого часто зависит надежность и достоверность экспериментальных данных. Измерения в металлах ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 691.175: 62-977 История статьи: Поступила: 07 апреля 2023 Рецензирование: 15 апреля 2023 Принята к печати: 17 мая 2023 Доступно онлайн: 15 сентября 2023 Ключевые слова: Cварной шов Стыковая сварка Непровар Гистерезис Рассеяние энергии Благодарности Исследования частично выполнены на оборудовании ЦКП «Структура, механические и физические свойства материалов» (соглашение с Минобрнауки № 13.ЦКП.21.0034). АННОТАЦИЯ Введение. При исследовании рассеяния энергии, связанной с внутренним трением в сварном шве, чрезвычайно важным является выбор методики измерения, так как от этого зависит надежность и достоверность получаемых данных. При этом необходимо исследовать изменение внутреннего трения в зависимости от наличия дефектов в сварном шве. Из неразрушающих методов для контроля соединений, полученных сваркой давлением, в настоящее время применяется только ультразвуковой контроль. Однако при этом не выявляются слабо окисленные непровары, которые удается обнаружить только при наличии сопровождающих их других дефектов. Соединения разноименных материалов ультразвуком не контролируются, поэтому разработка неразрушающих методов контроля таких соединений является весьма актуальной. Цель работы: создание процедуры тестирования качества сварного соединения в металлах и сплавах, которая будет быстрой и простой альтернативой известным методам неразрушающего контроля, за счет измерения рассеяния энергии в сварном шве образца методом статической петли гистерезиса. В работе исследованы образцы, полученные на машине сварки трением и на машине стыковой контактной сварки. Исследования осуществлялись на соединениях однородных сталей сталь 45 + сталь 45 и разнородных сталь 45 + сталь Р6М5. Метод исследования: неразрушающий контроль качества сварного соединения в металлах и сплавах за счет измерения рассеивания энергии в сварном шве образца методом статической петли гистерезиса. Результаты и обсуждение. Установлено, что с увеличением непровара в сварном шве рассеяние энергии возрастает при одинаковых значениях амплитуды крутящего момента в условиях статического нагружения. Жесткость качественно сваренных соединений остается постоянной, а жесткость соединений с непроваром уменьшается с увеличением амплитуды крутящего момента. Связь прочности с жесткостью и демпфирующей способностью, полученная методом статической петли гистерезиса, сохраняется для различных структурных состояний материала образцов. Для цитирования: Исследование рассеяния энергии и жесткости сварных соединений стыковой сварки давлением / А.Л. Майтаков, А.В. Грачев, А.М. Попов, С.Р. Ли, Н.Т. Ветрова, К.Б. Плотников // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2023. – Т. 25, № 3. – С. 104–116. – DOI: 10.17212/1994-6309-2023-25.3-104-116. ______ *Адрес для переписки Майтаков Анатолий Леонидович, д.т.н., профессор Кемеровский государственный университет, ул. Красная, 6, 650000, г. Кемерово, Россия Тел.: +7 (3842) 39-68-40, e-mail: may585417@mail.ru и сплавах выполняются с двумя целями. С одной стороны, стремятся определить абсолютные значения внутреннего трения, а с другой – проводят измерения для получения величин, связанных с изменением состояния твердого тела или с различием между разными его состояниями. В настоящей работе исследуется изменение внутреннего трения в сварных образцах в зависимости от наличия дефектов в сварном шве, поэтому первостепенный интерес представляет измерение не только абсолютных величин внутреннего трения, но и их изменений, причем чувствитель-
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 3 2023 105 MATERIAL SCIENCE ность аппаратуры к таким изменениям должна быть достаточной высокой. При этом особое внимание должно быть обращено на снижение трудоемкости измерений. Энергетический метод может быть применен для исследования рассеяния энергии в таких материалах, для которых соответствующим подбором химического состава и термической обработки можно получить образцы, обладающие практически одинаковыми удельным весом и упругими свойствами, но имеющие большую разницу в способности рассеяния энергии при колебаниях. Этот метод требует регистрации амплитуды установившихся колебаний образца, что в условиях производства представляет значительные трудности [1]. Относительное рассеяние энергии в материале исследуемого образца при его колебаниях определяется расчетом по данным измерений на специальной установке. Применение метода динамической петли гистерезиса нецелесообразно из-за низкой чувствительности аппаратуры для измерения динамических деформаций. Метод кривой резонанса используют при малых уровнях деформаций, когда необратимые потери невелики и колебательную систему можно считать практически линейной [2–5]. В работе [6] рассмотрено применение этого метода при любой нелинейности амплитудной зависимости рассеяния энергии. При высокой добротности системы чувствительность метода к изменению внутреннего трения является очень низкой, что не позволяет применять этот метод для выявления дефектов сварного соединения. Использовать зависимость резонансной частоты системы от уровня необратимых потерь энергии в материале упругого элемента в данном случае также нельзя, поскольку на изменение резонансной частоты большее влияние будут оказывать отклонения в размерах образцов, чем наличие дефекта в сварном шве. Из неразрушающих методов для контроля стыковых соединений, полученных сваркой давлением, в настоящее время применяется только ультразвуковой контроль. При этом на результаты контроля большое влияние оказывает неоднородность внутренней структуры, не выявляются слабо окисленные непровары, которые удается обнаружить только при наличии сопровождающих их других дефектов [5]. Соединения разноименных материалов вообще ультразвуком не контролируются [16], поэтому разработка неразрушающих методов контроля таких соединений является весьма актуальной. В настоящей работе внутреннее трение определяется методом статической петли гистерезиса образца. Применение метода статической петли гистерезиса обусловлено тем, что он позволяет определить рассеяние энергии практически непосредственно в сварном шве. С целью получения положительных результатов могут быть использованы чувствительные устройства [7, 8] для регистрации малых перемещений. Измерение рассеяния энергии методом статической петли гистерезиса в этом случае осуществляется при нагружении сварного соединения знакопеременным крутящим моментом. Работоспособность соединений зависит от их прочности, жесткости и демпфирующей способности, а присутствие непроваров в сварном соединении увеличивает рассеяние энергии и уменьшает прочность. Несмотря на широкое применение стыковой сварки давлением, до сих пор не существует надежных способов выявления основного дефекта этих соединений – слабо окисленного непровара. Цель исследования состоит в том, чтобы создать процедуру тестирования качества сварного соединения в металлах и сплавах, которая будет быстрой и простой альтернативой известным методам неразрушающего контроля, за счет измерения рассеяния энергии в сварном шве образца методом статической петли гистерезиса. Методика исследований Для проведения исследований были изготовлены образцы на машине МФ-327 сваркой трением и на машине МСР-30 стыковой контактной сваркой. Сварка трением и стыковая контактная сварка были выбраны как наиболее широко применяемые в промышленности, а также потому, что особенности соединений, выполненных стыковой сваркой давлением, наиболее полно объединены в соединениях, полученных этими видами сварки [9–10]. Исследования осуществлялись на соединениях однородных сталей сталь 45 + сталь 45 и разнородных сталь 45 + сталь Р6М5. Выбор материалов образцов обусловлен широким их применением в промыш-
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 3 2023 106 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ленности. Режимы сварки заготовок диаметром 25 мм приведены в табл. 1 для соединений сталь 45 + сталь 45 и сталь 45 + сталь Р6М5, полученных контактной сваркой. Для композиции сталь 45 + сталь 45 время нагрева варьировалось в пределах 15 с, в то время как продолжительность нагрева разнородных образцов сталь 45 + сталь Р6М5 возрастала до 25 с. В табл. 2 показаны режимы для соединений сталь 45 + Р6М5 и сталь 45 + сталь 45, полученных трением. После сварки все заготовки, а также заготовки из цельного прутка стали 45 и стали Р6М5 подвергались отжигу при 850 °С в течение 10 ч. Для обеспечения однородности размеров по диаметру образцы протачивались на токарном станке. Диаметр образцов в месте сварки составил 17,2 + 0,05 мм, а их длина – 170 мм. Лапки образцов сострагивались без последующей механической обработки. Как уже упоминалось во введении, внутреннее трение определялось методом статической петли гистерезиса, что позволило измерить рассеяние энергии практически непосредственно в сварном шве [1, 3–15]. Исследования выполнялись на испытательной машине КМ-50-1, предназначенной для испытания образцов из металлов на кручение. Измерение рассеяния энергии методом статической петли гистерезиса осуществлялось при нагружении сварного соедиТ а б л и ц а 1 Ta b l e 1 Режимы контактной сварки заготовок для соединений сталь 45 + сталь 45 и сталь 45 + сталь Р6М5 Modes of resistance welding of blank pairs steel 45 + steel 45 and steel 45 + steel R6M5 № режима Суммарная осадка, мм Вторичное напряжение, В Время нагрева, с 1 2 3,5 15…25 2 3 3,5 15…25 3 4 3,5 15…25 4 5 3,5 15…25 5 6 3,5 15…25 6 10 3,5 15…25 Т а б л и ц а 2 Ta b l e 2 Режимы сварки трением для соединений сталь 45 + Р6М5 и сталь 45 + сталь 45 Modes of friction welding of blank pairs steel 45 + steel R6M5 and steel 45 + steel 45 № режима Частота вращения, об/мин Удельное давление нагрева, Н/мм2 Удельное давление проковки, Н/мм2 Время нагрева, с 1 1500 156 236 2 2 1500 156 236 8 3 1500 156 236 9 4 1500 156 236 12 5 1500 156 236 15 6 1500 156 236 25 7 1500 156 236 30 8 1500 27 27 3 9 1500 27 27 5 10 1500 60 60 5 11 1500 60 60 10 12 1500 100 100 6 13 1500 160 160 5 14 1500 170 170 10
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 3 2023 107 MATERIAL SCIENCE нения знакопеременным крутящим моментом, а перемещения фиксировались лазерным датчиком с цифровой индексацией LAH-G и разрешением 0,5 мкм. Снятие показаний индикатора производилось после нескольких циклов предварительного нагружения, что соответствовало замыканию петли гистерезиса. После снятия петли при одной амплитуде знакопеременного крутящего момента цикл нагружения производился уже при большей амплитуде момента, для которой также строилась петля гистерезиса и т. д. Нагружение сварного соединения крутящим моментом производилось только в упругой области деформирования всего образца. Диссипация энергии в зоне сварки при приложении знакопеременного момента больше статического предварительного смещения похожа по своему характеру на пластическую деформацию [6]. Микротрение приводит к поглощению энергии контактом – гистерезису. Гистерезисные потери в сварном соединении определялись площадью петли (рис. 1). В качестве меры внутреннего трения могут быть выбраны различные величины независимо от источников энергетических потерь. Наиболее часто используется коэффициент поглощения ψ = ΔW / W, где ΔW – необратимо рассеянная энергия за один цикл нагружения в следующих координатах: крутящий момент Ткр и соответствующее перемещение φ. Амплитудное значение потенциальной энергии характеризуется площадью треугольника ОАВ (рис. 1). Рис. 1. Гистерезисные потери в сварном соединении Fig. 1. Hysteresis losses in a welded joint Рассеяние энергии, определяемое методом статической петли гистерезиса, представляет собой сумму потерь для соединений сталь 45 + сталь 45 и описывается зависимостью W = 2W1 + W3, а для образцов сталь 45 + сталь Р6М5 – зависимостью W = 2W1 + W2 + W3. В этих зависимостях W1 и W2 характеризуют рассеяние энергии в объеме основного металла стали 45 и Р6М5 соответственно, заключенном между сварным швом и ножом датчика, а W3 – рассеяние энергии в сварном шве [4, 6, 12]. Отсюда следует, что для получения рассеяния энергии W в сварном шве необходимо из общего рассеяния энергии вычесть рассеяние энергии в основном материале. Коэффициент поглощения сварного шва определяется также вычитанием из общего коэффициента поглощения потерь в основном материале. Жесткость С представляется в настоящей работе как жесткость части образца, заключенной между ножами датчиков. Результаты и их обсуждение Проводилось изучение влияния базы измерения l на рассматриваемые параметры на отожженных образцах. Рассеяние энергии в материале образцов при знакопеременном нагружении крутящим моментом возрастает прямо пропорционально расстоянию между ножами датчиков при его увеличении от 2 до 6 мм (рис. 2). Линии 1, 2, 4 характеризуют рассеяние энергии в стали Р6М5 при амплитудных значениях крутящего Рис. 2. Влияние базы измерения l на рассеяние энергии при различных значениях крутящего момента Fig. 2. Dependence of energy dissipation on the gauge length l at various torque values
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 3 2023 108 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ момента Ткр, равных 196, 176,4 и 137,2 Нм. Линии 3, 5 обозначают рассеяние энергии в стали 45 при амплитудных значениях крутящего момента 196 и 176,4 Нм. Увеличение рассеяния энергии обусловлено возрастанием объема материала образца, в котором производится измерение. Возрастание объема происходит за счет увеличения длины при постоянстве диаметра. Коэффициент поглощения, являющийся относительной характеристикой, с увеличением базы измерения остается постоянным как для стали 45 (φ = 0,05), так и для стали Р6М5 (φ = 0,6). Измерения проводились при амплитуде крутящего момента 176,4 Нм. Измеряемое значение жесткости уменьшается с увеличением расстояния между сечениями установки ножей датчиков (рис. 3). Зависимости получены для стали 45 (линия 1) и стали Р6М5 (линия 2) при амплитуде крутящего момента 176,4 Нм. Рис. 3. Зависимость показаний измерения жесткости от базы измерения l Fig. 3. Dependence of stiff ness on the gauge length l Уменьшение жесткости связано с тем, что с увеличением расстояния между сечениями установки ножей датчиков при постоянном крутящем моменте Ткр угол поворота сечений φ (рис. 1) относительно друг друга увеличивается. При значительном увеличении базы измерения эта зависимость становится все более выпуклой. При изменении значения крутящего момента рассеяние энергии в сварных швах также изменяется. На рис. 4 и 5 приведены амплитудные зависимости рассеяния энергии в сварных швах соединений сталь 45 + сталь 45 и сталь 45 + Р6М5 соответственно, а также в цельных образРис. 4. Амплитудная зависимость рассеяния энергии в сварных швах соединений сталь 45 + сталь 45 Fig. 4. Amplitude dependence of energy dissipation in welded joints of steel 45 + steel 45 Рис. 5. Амплитудная зависимость рассеяния энергии в сварных швах соединений сталь 45 + Р6М5 Fig. 5. Amplitude dependence of energy dissipation in welded joints of steel 45 + steel R6M5 цах из этих сталей. Обозначения на рисунках: 2, 3 – соединения, полученные сваркой трением; 1, 4 – полученные контактной сваркой; 5, 6 – цельные образцы соответственно из стали 45 и стали Р6М5. Показанное на рис. 4 и 5 рассеяние энергии в стали 45 и стали Р6М5 при знакопеременном нагружении образцов в упругой области происходит за счет локальной микропластической деформации отдельных перенапряженных участков зерен. Перенапряжения участков зерен возникают вследствие анизотропии модуля упругости [4, 17]. Межзёренным смещениям
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 3 2023 109 MATERIAL SCIENCE принадлежит второстепенная роль, поскольку основным механизмом пластической деформации являются внутризёренные сдвиги [17]. В сварных швах подавляющая часть рассеиваемой энергии приходится на непровар, который согласно [7, 18] можно представить как плотностный механический контакт. Во время знакопеременных нагружений контакта тангенциальной силой в нем происходит предварительное смещение во взаимно противоположных направлениях [16]. При этом осуществляются пластическая и упругая деформации сдвига микровыступов шероховатой поверхности. В процессе пластической деформации при микросмещении, когда оно происходит первично, материал, упрочняясь, повышает свой передел упругости. Повторное смещение после разгрузки совершается в пределах упругости, но с участием микротрения, поэтому деформация и принимает упругофрикционный характер, сходный с характером пластической деформации. Помимо деформации элементов контакта имеет место их скольжение. В это скольжение они вступают не все сразу, а последовательно один за другим. Это обусловлено тем, что микровыступы увлекаются в сдвиг микротрением на площадках касания элементов, сжатых по-разному. Кроме того, жесткость микровыступов различна. По аналогии со сдвиговой прочностью контакта сварные швы с различной величиной непровара рассеивают энергию поразному. Чем больше непровар, тем больше энергии рассеивается в сварном шве. Это объясняется, во-первых, тем, что в большем по площади контакте деформируется большее количество микровыступов и большее количество элементов контакта проскальзывает. Во-вторых, непровар уменьшает полярный момент сопротивления сечения, а это приводит к возникновению бඬльших касательных напряжений в тех сварных швах, которые имеют больший непровар, при нагружении всех соединений равным крутящим моментом. Большее касательное напряжение вызывает большее микросмещение, что приводит к увеличению рассеяния энергии в сварном шве. С увеличением амплитуды нагружения растет и разница в энергии, рассеянной в швах с различной величиной непровара. Связь рассеяния энергии с относительной прочностью соединений для различных амплитуд крутящего момента оказалась удовлетворительной (рис. 6). Линии 1, 2, 3 соответствуют амплитудам 147, 156,8 и 176,4 Нм; «○» – соединения, полученные сваркой трением; «●» – полученные контактной сваркой. По оси абсцисс отложено отношение разрушающего момента образца к разрушающему моменту образца из отожженной стали 45. Такое обозначение принято на всех рисунках. а б Рис. 6. Связь рассеяния энергии с относительной прочностью соединения: а – сталь 45 + сталь 45; б – сталь 45 + Р6М5 для различных амплитудных значений крутящего момента Fig. 6. Relation between energy dissipation and relative strength of welded joints: а – steel 45 + steel 45; б – steel 45 + R6M5 for diff erent torque amplitudes
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1