Способ торможения усталостных трещин в листовом материале Советский патент 1993 года по МПК B23P6/00 

материал обладают существенно отличающейся сопротивляемостью к разрушению. Резкое отличие наклепанного от исходного материала по структуре и свойствам (для конструкционных, мало- и среднеуглероди- стых сталей различие составляет по прочности в 1,5-2 по пластичности в 2-4 раза) вызывает в процессе вагружения появление с тр уктурного -кЪнфнтратора напряжений. Это проявляется в том, что пластическая деформация развивается, в- основном, в исходном материале, а в наклепанном накапливается упругая энергия. В результате создаются условия, облегчающие возникновение и развитие трещины. Описанное явление с течением времени затрудняет реализацию положительного влияния локальной пластической деформации (наклепа) перед вершиной трещины на остаточную усталостную долговечность листового элемента, конструкции с трещиной.

Кроме того, следует отметить низкую термическую стабильность наклепанной зоны в условиях эксплуатации. Непродолжительные нагревы листовых конструкций при их эксплуатации могут вызвать явления возврата, которые протекают, например, в конструкционных, мало- и среднеуглеродистых сталях при температуре 300-400°С. При этом прочность уменьшается на 15-20%, а пластичность возрастает.

Указанные недостатки снижают остаточную усталостную долговечность листовых элементов конструкции с трещиной.

.Целью изобретения является повышение остаточной усталостной долговечности листовых элементов конструкции.

Поставленная цель достигается техническим решением - способ торможения ус-, талостных трещин в листовом материале, при котором на пути роста трещины перед ее вершиной создают структурный барьер, отличающийся тем, что с целью повышения остаточной долговечности листового материала из конструкционных, мало - и .среднеуглеродистых сталей, структурный барьер создают путем локального плавления материала, охлаждения полученного расплава струей жидкого азота, нагрева слоя материала на границе с аморфной зоной до 450-500°С, соседний с ним слой до температуры 150-200°С, а слой основного материала - до температуры 600-700°С, причем плавление и нагрев выполняют импульсным лазерным источником,

Способ реализуется следующим образом. Листовой элемент конструкции устанавливают на предметный стол импульсной лазерной технологической установки (ЛТУ),

например, Квант 16, определяют положение вершины трещины и с учетом выбранного диаметра сфокусированного лазерного луча, намечают центр аморфной зоны, с которым совмещают перекрестие бинокулярной насадки.

На блоке ЛТУ измерение энергии импульса устанавливают значение энергии, заранее найденное с учетом плавления без

0 выплеска обрабатываемого материала и с учетом охлаждения локальной зоны расплавляемого материала струей жидкого азота, По установленному значению энергии с помощью тарировочного графика, прило5 женного к паспорту ЛТУ, определяют длительность лазерного излучения.

Устанавливают новое значение энергии в импульсе и других параметров ЛТУ для проведения термической обработки, с по0 мощью которой получают плавное изменение механических свойств (прочность, пластичность и др.) в переходном слое от аморфной зоны к исходному материалу, что существенно повышает период задержки

5 роста трещины.

Пример. Для конструкционных, мало- и среднеуглеродистых сталей прилегающий к аморфной зоне 1 на фиг.1г слой 2 на фиг.2 будет иметь высокие прочностные свойства

0 вследствие закалки, так как скорости охлаждения этого слоя существенно превышают критические скорости охлаждения для этих сталей.

В этом случае термическую обработку

5 применяют для устранения существенного различия в прочностных свойствах с одной стороны между структурами закалки (мартенсит) и аморфной зоны, а с другой - между структурами закалки и исходного нормали0 зеванного материала (состояние поставки). Для достижения этой цели проводят термическую обработку, в процессе которой внешний слой аморфной зоны 2 на фиг.2 нагревают лазерными импульсами, направ5 ляемыми в точку о (фиг.2) и нагревают последний (точка а) до температуры 450-500°С.

За счет теплопередачи эти же импульсы нагревают полуслой З1 (точка Ь) до темпера0 туры 150-200°С. При этом в слое 2 получают частичную кристаллизацию аморфного материала и снижение прочностных свойств, а в слое 3 - низкий отпуск и почти не изменившуюся прочность материала (мартенсит

5 отпуска).

Вторую серию импульсов направляют в слой 4 (точка f) материала с исходным состоянием (сорбитообразный перлит) и нагревают его (точка с) до температуры 600-700°С. За счет теплопередачи эти импульсы нагревают полуслой 3 (точка d) закаленного слоя до температуры 450-500°С. При этом в слое 4 структура не изменяет прочностных свойств, а в слое 3 получают структуру (тро- стосорбит) с меньшей по сравнению с мар- тенситом прочностью.

Энергию импульса ЛТУ, необходимую для получения указанных температур в слое 2 и 3 (точки а и b на фиг.2), а также в слое 4 и 3 (точки с и d) определяют по формуле

Q

- г

,.

Т(Г, t) ---Ј-.-- е «at-bt , (1) v 4л: -Ат о t

где AT - теплопроводность обрабатываемого материала;

(5-толщина листа обрабатываемого материала;

а - коэффициент температуропровод- нрсти обрабатываемого материала;

t- длительность импульса лазерного из лучения;

г - расстояние от источника теплоты (точки о и f) до точек b и d (середина термо- обрабатываемых слоев 3 и 3 материала);

2 «т b - ----Е- коэффициент, учитывающий поверхностную теплоотдачу в окружающую среду,

При заданных Ат, б, a, b, t определяют величину энергии импульсов, направляв- мых в точки о и f и необходимых для нагрева слоя 3 (точка Ь) до температуры Т 150- 200°С и слоя 3 (точка d) до Т 450-500°С. Время обработки при заданной температуре обеспечивают серией многократно по- вторяемых импульсов.

При указанном уровне температур теплоотдача с поверхности радиационным излучением практически отсутствует, а конвекционной теплоотдачей, вследствие миллисекундных импульсов, можно пренебречь; поэтому полагаем bt 0. В связи с изложенным тепловую энергию импульса определяют по преобразованной формуле

--

4 тс Т Ат б t

Q

-r2/4

(2)

a t

Далее по формуле (1) с учетом найден- ных значений Q определяют температуру в слое 2 (точка а) и оценивают степень кристаллизации и связанную с ней степень разупрочнения структуры внешнего слоя аморфной зоны. Поскольку r(oa) r(ob), то Qa (тепловая энергия в слое 2) будет больше Оь (тепловая энергия в слое 3). Интервалы температур в слоях 2,3, 3,4 позволяют корректировать значение энергии в импульсе.

Аналогичным образом определяют температуру в слое 4 (точка с).

Таким образом, тепловую энергию импульса, направляемого в точки о и f, определяют по формуле (2) с учетом теп- лофизических и геометрических характеристик образцов конструкции из обрабатываемой стали, а температуру в слоях 2,3, 3,4 (точки a, b, d, с), представленных на фиг.2б, определяют по формуле (1).

В результате такой обработки получают плавное изменение прочностных свойств при переходе от аморфной зоны к исходному материалу (рис.2в).

Нагрев узких кольцевых зон при термической обработке проводят с помощью оптической системы, включающей аксикон и фокусирующую линзу.

Преимущества предлагаемого технического решения по сравнению с прототипом следующие.

Известно, что в аморфном состоянии металлические материалы имеют более высокие значения прочностных свойств (для некоторых материалов, например, сгв Е/50, где Е - модуль Юнга) по сравнению с металлическими материалами тех же составов, но находящихся в кристаллическом состоянии.

Аморфное состояние более термически стабильно (для большинства,сплавов до Т 500°С), что позволяет: .

проводить термическую обработку с целью устранения структурного концентратора напряжений с сохранением высокой прочности в центральной части аморфной зоны;

избежать при нагревах до температуры 450-500°С таких явлений, как возврат, характерных для металлических материалов, и обеспечить в процессе эксплуатации постоянство высоких прочностных свойств конструкционных материалов.

Эксплуатация не нагреваемых элементов конструкции с трещиной, которая заторможена с помощью связанных с наклепанной зоной полей упругих напряжений сжатия, вызывает релаксацию упругих напряжений и уменьшение их положительного влияния до полного его исчезновения. В аморфной зоне, с помощью которой тормозится развитие трещины, релаксационные процессы, вызывающие изменения структуры и свойств при нормальных температурах, отсутствуют.

При одностороннем подходе к обрабатываемой поверхности создание напряжений сжатия на одной стороне тонколистового элемента компенсируется близкими по величине растягивающими напряжениями на другой стороне. Сопротивление усталостному разрушению при этом уменьшается за счет растягивающих напря- жений;т .е. разрушение начинается со стороны, противоположной наклепанной.

При создании барьера на пути развития трещины с помощью аморфной зоны, описанные выше и им подобные процессы не протекают.

Формула изобретения Способ торможения усталостных трещин в листовом мртериале, при котором на пути роста трещины перед ее вершиной соб, МПа

А

N

здают структурный барьер, от л ича ю щи й- с я тем, что, с целью повышения остаточной долговечности листового материала из конструкционных, мало- и среднеуглеродистых сталей, структурный барьер создают путем локального плавления материала, охлаждения полученного расплава струей жидкого азота, нагрева слоя материала на границе с аморфной зоной до 450-5рО°С, соседний с ним слой до температуры 150-200°С, а слой основного материала - до 600-700°С, причем плавление и нагрев выполняют импульсным лазерным источником.

N

ФиЗ. 1 :