Componentă chimică a tubului spiralat din oțel inoxidabil 310, Efectul defectelor de suprafață ale firului de oțel întărit cu ulei asupra duratei de viață la oboseală a arcurilor supapelor din motoarele de automobile

Vă mulțumim că ați vizitat Nature.com.Utilizați o versiune de browser cu suport limitat pentru CSS.Pentru cea mai bună experiență, vă recomandăm să utilizați un browser actualizat (sau să dezactivați Modul de compatibilitate în Internet Explorer).În plus, pentru a asigura suport continuu, arătăm site-ul fără stiluri și JavaScript.
Glisoare care arată trei articole pe diapozitiv.Utilizați butoanele înapoi și următorul pentru a vă deplasa prin diapozitive sau butoanele controlerului de diapozitive de la sfârșit pentru a vă deplasa prin fiecare diapozitiv.

Tuburi spiralate din oțel inoxidabil 310 / tuburi spiralateCompoziție chimicăși compoziție

Următorul tabel arată compoziția chimică a oțelului inoxidabil de gradul 310S.

10*1mm 9.25*1.24 mm Furnizori de tuburi spiralate capilare din oțel inoxidabil 310

Proprietăți fizice

Proprietățile fizice ale oțelului inoxidabil de calitate 310S sunt afișate în tabelul următor.

Proprietăți mecanice

Următorul tabel prezintă proprietățile mecanice ale oțelului inoxidabil de gradul 310S.

Proprietati termice

Proprietățile termice ale oțelului inoxidabil de calitate 310S sunt prezentate în tabelul următor.

Alte Denumiri

Alte denumiri echivalente cu oțelul inoxidabil de calitate 310S sunt enumerate în tabelul următor.

Scopul acestui studiu este de a evalua durata de viață la oboseală a unui arc de supapă al unui motor de automobile atunci când se aplică microdefecte pe un fir întărit cu ulei de 2300 MPa (sârmă OT) cu o adâncime critică a defectului de 2,5 mm în diametru.În primul rând, deformarea defectelor de suprafață ale firului OT în timpul fabricării arcului supapei a fost obținută prin analiza cu elemente finite folosind metode de subsimulare, iar tensiunea reziduală a arcului finit a fost măsurată și aplicată modelului de analiză a tensiunii arcului.În al doilea rând, analizați rezistența arcului supapei, verificați tensiunea reziduală și comparați nivelul de solicitare aplicat cu imperfecțiunile suprafeței.În al treilea rând, efectul microdefectelor asupra duratei de oboseală a arcului a fost evaluat prin aplicarea tensiunii asupra defectelor de suprafață obținute din analiza rezistenței arcului la curbele SN obținute în urma testului de oboseală la încovoiere în timpul rotației sârmei OT.O adâncime a defectelor de 40 µm este standardul actual pentru gestionarea defectelor de suprafață fără a compromite durata de viață la oboseală.
Industria auto are o cerere puternică de componente auto ușoare pentru a îmbunătăți eficiența combustibilului vehiculelor.Astfel, utilizarea oțelului avansat de înaltă rezistență (AHSS) a crescut în ultimii ani.Arcurile de supape ale motorului auto constau în principal din fire de oțel întărite cu ulei rezistente la căldură, rezistente la uzură și care nu se lasă (sârme OT).
Datorită rezistenței lor ridicate la tracțiune (1900–2100 MPa), firele OT utilizate în prezent fac posibilă reducerea dimensiunii și masei arcurilor supapelor motorului, îmbunătățirea eficienței combustibilului prin reducerea frecării cu părțile din jur1.Datorită acestor avantaje, utilizarea tijei de înaltă tensiune este în creștere rapidă, iar tija de sârmă ultra-înaltă de clasa 2300MPa apare una după alta.Arcurile de supape din motoarele de automobile necesită o durată de viață lungă, deoarece funcționează la sarcini ciclice mari.Pentru a îndeplini această cerință, producătorii iau în considerare în mod obișnuit durata de viață la oboseală mai mare de 5,5×107 cicluri atunci când proiectează arcurile supapei și aplică stres rezidual pe suprafața arcului supapei prin procese de greșaj și termocontractare pentru a îmbunătăți durata de viață la oboseală2.
Au existat destul de multe studii privind durata de viață la oboseală a arcurilor elicoidale din vehicule în condiții normale de funcționare.Gzal şi colab.Sunt prezentate analize analitice, experimentale și cu elemente finite (FE) ale arcurilor elicoidale eliptice cu unghiuri de spirală mici sub sarcină statică.Acest studiu oferă o expresie explicită și simplă pentru locația tensiunii maxime de forfecare față de raportul de aspect și indicele de rigiditate și oferă, de asemenea, o perspectivă analitică asupra efortului de forfecare maximă, un parametru critic în proiectele practice3.Pastorcic şi colab.Sunt descrise rezultatele analizei distrugerii și oboselii unui arc elicoidal scos dintr-o mașină privată după defecțiunea în funcțiune.Folosind metode experimentale, a fost examinat un arc rupt, iar rezultatele sugerează că acesta este un exemplu de defecțiune la coroziune la oboseală4.gaură, etc. Au fost dezvoltate mai multe modele de regresie liniară de viață a arcurilor pentru a evalua durata de viață la oboseală a arcurilor elicoidale pentru automobile.Putra și alții.Din cauza denivelării suprafeței drumului, se determină durata de viață a arcului elicoidal al mașinii.Cu toate acestea, s-au făcut puține cercetări asupra modului în care defectele de suprafață care apar în timpul procesului de fabricație afectează durata de viață a arcurilor elicoidale auto.
Defectele de suprafață care apar în timpul procesului de fabricație pot duce la concentrarea locală a tensiunilor în arcurile supapelor, ceea ce reduce semnificativ durata de viață a acestora la oboseală.Defectele de suprafață ale arcurilor supapelor sunt cauzate de diverși factori, cum ar fi defectele de suprafață ale materiilor prime utilizate, defecte ale uneltelor, manipularea brutală în timpul laminarii la rece7.Defectele de suprafață ale materiei prime sunt în formă de V abruptă datorită laminarii la cald și a tragerii în mai multe treceri, în timp ce defectele cauzate de instrumentul de formare și manipularea neglijentă sunt în formă de U cu pante ușoare8,9,10,11.Defectele în formă de V provoacă concentrații mai mari de tensiuni decât defectele în formă de U, astfel încât criteriile stricte de gestionare a defectelor sunt de obicei aplicate materiei prime.
Standardele actuale de gestionare a defectelor de suprafață pentru firele OT includ ASTM A877/A877M-10, DIN EN 10270-2, JIS G 3561 și KS D 3580. DIN EN 10270-2 specifică că adâncimea unui defect de suprafață pe diametre de sârmă de 0,5– 10 mm reprezintă mai puțin de 0,5–1% din diametrul firului.În plus, JIS G 3561 și KS D 3580 necesită ca adâncimea defectelor de suprafață la tija cu un diametru de 0,5–8 mm să fie mai mică de 0,5% din diametrul sârmei.În ASTM A877/A877M-10, producătorul și cumpărătorul trebuie să convină asupra adâncimii admisibile a defectelor de suprafață.Pentru a măsura adâncimea unui defect pe suprafața unui fir, firul este de obicei gravat cu acid clorhidric, iar apoi adâncimea defectului este măsurată folosind un micrometru.Cu toate acestea, această metodă poate măsura defecte doar în anumite zone și nu pe întreaga suprafață a produsului final.Prin urmare, producătorii folosesc testarea cu curenți turbionari în timpul procesului de trefilare a sârmei pentru a măsura defectele de suprafață ale sârmei produse în mod continuu;aceste teste pot măsura adâncimea defectelor de suprafață până la 40 µm.Sârma de oțel de calitate 2300MPa aflată în curs de dezvoltare are o rezistență la tracțiune mai mare și o alungire mai mică decât firul de oțel de calitate 1900-2200MPa existent, astfel încât durata de viață la oboseală a arcului supapei este considerată a fi foarte sensibilă la defectele de suprafață.Prin urmare, este necesar să se verifice siguranța aplicării standardelor existente pentru controlul adâncimii defectelor de suprafață pentru sârmă de oțel de calitate 1900-2200 MPa până la sârmă de oțel de calitate 2300 MPa.
Scopul acestui studiu este de a evalua durata de viață la oboseală a unui arc de supapă a unui motor de automobile atunci când adâncimea minimă a defectului măsurabilă prin testarea cu curent turbionar (adică 40 µm) este aplicată unui fir OT de 2300 MPa (diametru: 2,5 mm): defect critic adâncimea .Contribuția și metodologia acestui studiu sunt următoarele.
Ca defect inițial al firului OT, a fost folosit un defect în formă de V, care afectează grav durata de viață la oboseală, în direcția transversală față de axa firului.Luați în considerare raportul dintre dimensiunile (α) și lungimea (β) ale unui defect de suprafață pentru a vedea efectul adâncimii (h), lățimii (w) și lungimii (l).Defectele de suprafață apar în interiorul arcului, unde defecțiunea apare mai întâi.
Pentru a prezice deformarea defectelor inițiale în firul OT în timpul înfășurării la rece, a fost utilizată o abordare de sub-simulare, care a luat în considerare timpul de analiză și dimensiunea defectelor de suprafață, deoarece defectele sunt foarte mici în comparație cu firul OT.model global.
Tensiunile de compresiune reziduale în primăvară după spărturarea în două etape au fost calculate prin metoda elementelor finite, rezultatele s-au comparat cu măsurătorile după împrăștierea pentru a confirma modelul analitic.În plus, tensiunile reziduale în arcurile supapelor din toate procesele de fabricație au fost măsurate și aplicate la analiza rezistenței arcului.
Tensiunile în defectele de suprafață sunt prezise prin analiza rezistenței arcului, luând în considerare deformarea defectului în timpul laminarii la rece și efortul de compresiune rezidual în arcul finit.
Testul de oboseală la îndoire în rotație a fost efectuat folosind un fir OT realizat din același material ca și arcul supapei.Pentru a corela caracteristicile tensiunii reziduale și rugozității suprafeței ale arcurilor de supapă fabricate cu liniile OT, curbele SN au fost obținute prin teste de oboseală la încovoiere rotativă după aplicarea peening și torsiune în două etape ca procese de pretratare.
Rezultatele analizei rezistenței arcului sunt aplicate ecuației Goodman și curbei SN pentru a prezice durata de viață la oboseală a arcului supapei și este evaluat și efectul adâncimii defectului de suprafață asupra duratei de viață la oboseală.
În acest studiu, a fost folosit un fir de calitate OT de 2300 MPa cu un diametru de 2,5 mm pentru a evalua durata de viață la oboseală a unui arc de supapă a unui motor de automobile.Mai întâi, a fost efectuat un test de tracțiune al firului pentru a obține modelul de fractură ductilă.
Proprietățile mecanice ale sârmei OT au fost obținute din testele de tracțiune înainte de analiza cu elemente finite a procesului de înfășurare la rece și a rezistenței arcului.Curba efort-deformare a materialului a fost determinată folosind rezultatele încercărilor de tracțiune la o rată de deformare de 0,001 s-1, așa cum se arată în fig.1. Se utilizează sârmă SWONB-V, iar rezistența sa de curgere, rezistența la tracțiune, modulul de elasticitate și raportul lui Poisson sunt 2001,2MPa, 2316MPa, 206GPa și, respectiv, 0,3.Dependența stresului de deformarea curgerii se obține după cum urmează:
Orez.2 ilustrează procesul de rupere ductilă.Materialul suferă o deformare elastoplastică în timpul deformării, iar materialul se îngustează atunci când solicitarea din material atinge rezistența la tracțiune.Ulterior, crearea, creșterea și asocierea golurilor în interiorul materialului duc la distrugerea materialului.
Modelul de fractură ductilă folosește un model de deformare critică modificată la stres care ia în considerare efectul tensiunii, iar fractura post-gât folosește metoda de acumulare a daunelor.Aici, inițierea deteriorării este exprimată în funcție de deformare, triaxialitate a tensiunii și rata de deformare.Triaxialitatea tensiunii este definita ca valoarea medie obtinuta prin impartirea tensiunii hidrostatice cauzate de deformarea materialului pana la formarea gatului la solicitarea efectiva.În metoda de acumulare a daunelor, distrugerea are loc atunci când valoarea daunei ajunge la 1, iar energia necesară pentru a atinge valoarea daunei de 1 este definită ca energia de distrugere (Gf).Energia de rupere corespunde regiunii curbei adevărate efort-deplasare a materialului de la gât până la timpul de rupere.
În cazul oțelurilor convenționale, în funcție de modul de solicitare, ruptura ductilă, ruptura prin forfecare sau ruptura în modul mixt apare din cauza ductilității și ruperii prin forfecare, așa cum se arată în Figura 3. Deformarea la rupere și triaxialitatea tensiunii au prezentat valori diferite pentru model de fractură.
Defectarea plastică are loc într-o regiune corespunzătoare unei triaxialitate a tensiunilor mai mare de 1/3 (zona I), iar deformarea la rupere și triaxialitatea tensiunii pot fi deduse din încercările de tracțiune pe epruvete cu defecte de suprafață și crestături.In zona corespunzatoare triaxialitatii tensiunilor de 0 ~ 1/3 (zona II), apare o combinatie de rupere ductila si cedare prin forfecare (adica printr-un test de torsiune. In zona corespunzatoare triaxialitatii tensiunii de la -1/3 la 0). (III), defecțiunea prin forfecare cauzată de compresie și triaxialitatea deformarii la rupere și a tensiunii pot fi obținute prin test de răsturnare.
Pentru firele OT utilizate la fabricarea arcurilor supapelor de motor, este necesar să se țină cont de fracturile cauzate de diferitele condiții de încărcare în timpul procesului de fabricație și a condițiilor de aplicare.Prin urmare, s-au efectuat teste de tracțiune și torsiune pentru a aplica criteriul deformarii la rupere, s-a luat în considerare efectul triaxialității tensiunii asupra fiecărui mod de tensiuni și s-a efectuat analiza cu elemente finite elastoplastice la deformari mari pentru a cuantifica modificarea triaxialității tensiunii.Modul de compresie nu a fost luat în considerare din cauza limitării procesării probei, și anume, diametrul firului OT este de numai 2,5 mm.Tabelul 1 enumeră condițiile de încercare pentru tracțiune și torsiune, precum și triaxialitatea tensiunii și deformarea la rupere, obținute prin analiza cu elemente finite.
Deformarea la rupere a oțelurilor triaxiale convenționale sub tensiune poate fi prezisă folosind următoarea ecuație.
unde C1: \({\overline{{\varepsilon}_{0}}}^{pl}\) tăietură curată (η = 0) și C2: \({\overline{{\varepsilon}_{0} } }^{pl}\) Tensiune uniaxială (η = η0 = 1/3).
Liniile de tendință pentru fiecare mod de efort sunt obținute prin aplicarea valorilor deformarii la rupere C1 și C2 în ecuație.(2);C1 și C2 sunt obținute din încercări de tracțiune și torsiune pe probe fără defecte de suprafață.Figura 4 prezintă triaxialitatea tensiunii și deformarea la rupere obținute din teste și liniile de tendință prezise de ecuație.(2) Linia de tendință obținută în urma testului și relația dintre triaxialitatea tensiunii și deformarea la rupere arată o tendință similară.Deformarea la rupere și triaxialitatea tensiunii pentru fiecare mod de solicitare, obținute din aplicarea liniilor de tendință, au fost utilizate ca criterii pentru fractura ductilă.
Energia de rupere este utilizată ca proprietate a materialului pentru a determina timpul de rupere după gât și poate fi obținută din încercările de tracțiune.Energia de rupere depinde de prezența sau absența fisurilor pe suprafața materialului, deoarece timpul de rupere depinde de concentrația tensiunilor locale.Figurile 5a-c arată energiile de rupere a probelor fără defecte de suprafață și a probelor cu crestături R0,4 sau R0,8 din încercările de tracțiune și analiza cu elemente finite.Energia de fractură corespunde zonei adevăratei curbe de deplasare a tensiunii de la gât până la timpul de fractură.
Energia de rupere a unui fir OT cu defecte de suprafață fine a fost prezisă prin efectuarea testelor de tracțiune pe un fir OT cu o adâncime a defectului mai mare de 40 µm, așa cum se arată în Fig. 5d.În încercările de tracțiune au fost utilizate zece eșantioane cu defecte, iar energia medie de rupere a fost estimată la 29,12 mJ/mm2.
Defectul de suprafață standardizat este definit ca raportul dintre adâncimea defectului și diametrul firului arcului supapei, indiferent de geometria defectului de suprafață al firului OT utilizat la fabricarea arcurilor supapei pentru automobile.Defectele firului OT pot fi clasificate în funcție de orientare, geometrie și lungime.Chiar și cu aceeași adâncime a defectului, nivelul de solicitare care acționează asupra unui defect de suprafață într-un arc variază în funcție de geometria și orientarea defectului, astfel încât geometria și orientarea defectului pot afecta rezistența la oboseală.Prin urmare, este necesar să se țină cont de geometria și orientarea defectelor care au cel mai mare impact asupra duratei de viață la oboseală a unui arc pentru a aplica criterii stricte de gestionare a defectelor de suprafață.Datorită structurii cu granulație fină a firului OT, durata de viață a acestuia la oboseală este foarte sensibilă la crestături.Prin urmare, defectul care prezintă cea mai mare concentrație de tensiuni în funcție de geometria și orientarea defectului ar trebui stabilit ca defect inițial folosind analiza cu elemente finite.Pe fig.6 prezintă arcurile de supapă pentru automobile cu rezistență ultra-înaltă, clasa 2300 MPa, utilizate în acest studiu.
Defectele de suprafață ale firului OT sunt împărțite în defecte interne și defecte externe în funcție de axa arcului.Datorită îndoirii în timpul rulării la rece, efortul de compresiune și tensiunea de tracțiune acționează pe interiorul și, respectiv, pe exteriorul arcului.Ruptura poate fi cauzată de defecte de suprafață care apar din exterior datorită tensiunilor de tracțiune în timpul laminarii la rece.
În practică, arcul este supus la comprimare și relaxare periodică.În timpul comprimării arcului, sârma de oțel se răsucește și, datorită concentrării tensiunilor, efortul de forfecare din interiorul arcului este mai mare decât efortul de forfecare din jur7.Prin urmare, dacă există defecte de suprafață în interiorul arcului, probabilitatea de rupere a arcului este cea mai mare.Astfel, partea exterioară a arcului (locația în care este de așteptat defectarea în timpul fabricării arcului) și partea interioară (unde solicitarea este cea mai mare în aplicarea reală) sunt stabilite ca locații ale defectelor de suprafață.
Geometria defectului de suprafață a liniilor OT este împărțită în formă de U, formă de V, formă de Y și formă de T.Tipul Y și tipul T există în principal în defectele de suprafață ale materiilor prime, iar defectele de tip U și tip V apar din cauza manipulării neglijente a sculelor în procesul de laminare la rece.În ceea ce privește geometria defectelor de suprafață din materiile prime, defectele în formă de U care rezultă din deformarea plastică neuniformă în timpul laminarii la cald sunt deformate în defecte de cusătură în formă de V, Y și T sub întindere cu mai multe treceri8, 10.
În plus, defectele în formă de V, în formă de Y și în formă de T cu înclinări abrupte ale crestăturii de pe suprafață vor fi supuse unei concentrații mari de tensiuni în timpul funcționării arcului.Arcurile supapelor se îndoaie în timpul rulării la rece și se răsucesc în timpul funcționării.Concentrațiile de tensiuni ale defectelor în formă de V și Y cu concentrații mai mari de tensiuni au fost comparate utilizând analiza cu elemente finite, ABAQUS – software comercial de analiză cu elemente finite.Relația efort-deformare este prezentată în Figura 1 și Ecuația 1. (1) Această simulare folosește un element dreptunghiular bidimensional (2D) cu patru noduri, iar lungimea minimă a laturii elementului este de 0,01 mm.Pentru modelul analitic, defecte în formă de V și Y cu o adâncime de 0,5 mm și o pantă a defectului de 2° au fost aplicate unui model 2D al unui fir cu un diametru de 2,5 mm și o lungime de 7,5 mm.
Pe fig.7a prezintă concentrația tensiunii de încovoiere la vârful fiecărui defect atunci când se aplică un moment de încovoiere de 1500 Nmm la ambele capete ale fiecărui fir.Rezultatele analizei arată că tensiunile maxime de 1038,7 și 1025,8 MPa apar la vârfurile defectelor în formă de V și, respectiv, în formă de Y.Pe fig.7b prezintă concentrația de tensiuni în partea superioară a fiecărui defect cauzat de torsiune.Când partea stângă este constrânsă și se aplică un cuplu de 1500 N∙mm în partea dreaptă, aceeași tensiune maximă de 1099 MPa apare la vârfurile defectelor în formă de V și Y.Aceste rezultate arată că defectele de tip V prezintă o solicitare de încovoiere mai mare decât defectele de tip Y atunci când au aceeași adâncime și pantă a defectului, dar experimentează aceeași solicitare de torsiune.Prin urmare, defectele de suprafață în formă de V și în formă de Y cu aceeași adâncime și pantă a defectului pot fi normalizate la cele în formă de V cu o tensiune maximă mai mare cauzată de concentrarea tensiunii.Raportul mărimii defectului de tip V este definit ca α = w/h utilizând adâncimea (h) și lățimea (w) defectelor de tip V și de tip T;astfel, un defect de tip T (α ≈ 0) în schimb, geometria poate fi definită prin structura geometrică a unui defect de tip V.Prin urmare, defectele de tip Y și de tip T pot fi normalizate prin defecte de tip V.Folosind adâncimea (h) și lungimea (l), raportul lungimii este altfel definit ca β = l/h.
După cum se arată în Figura 811, direcțiile defectelor de suprafață ale firelor OT sunt împărțite în direcții longitudinale, transversale și oblice, așa cum se arată în Figura 811. Analiza influenței orientării defectelor de suprafață asupra rezistenței arcului de către elementul finit metodă.
Pe fig.9a prezintă modelul de analiză a tensiunii arcului supapei motorului.Ca o condiție de analiză, arcul a fost comprimat de la o înălțime liberă de 50,5 mm la o înălțime dură de 21,8 mm, în interiorul arcului a fost generat o solicitare maximă de 1086 MPa, așa cum se arată în Fig. 9b.Deoarece defecțiunea arcurilor supapelor motorului are loc în principal în interiorul arcului, prezența defectelor interne ale suprafeței este de așteptat să afecteze grav durata de viață a arcului la oboseală.Prin urmare, defectele de suprafață în direcțiile longitudinale, transversale și oblice sunt aplicate la interiorul arcurilor supapelor motorului folosind tehnici de submodelare.Tabelul 2 prezintă dimensiunile defectelor de suprafață și solicitarea maximă în fiecare direcție a defectului la compresia maximă a arcului.Cele mai mari tensiuni au fost observate în direcția transversală, iar raportul tensiunilor în direcția longitudinală și oblică față de direcția transversală a fost estimat la 0,934–0,996.Raportul tensiunilor poate fi determinat prin simpla împărțire a acestei valori la solicitarea transversală maximă.Tensiunea maximă în primăvară are loc în partea superioară a fiecărui defect de suprafață, așa cum se arată în Fig. 9s.Valorile tensiunilor observate în direcțiile longitudinale, transversale și oblice sunt 2045, 2085 și, respectiv, 2049 MPa.Rezultatele acestor analize arată că defectele transversale ale suprafeței au cel mai direct efect asupra duratei de viață la oboseală a arcurilor supapelor motorului.
Un defect în formă de V, care se presupune că afectează cel mai direct durata de viață la oboseală a arcului supapei motorului, a fost ales ca defect inițial al firului OT, iar direcția transversală a fost aleasă ca direcție a defectului.Acest defect apare nu numai în exterior, unde arcul supapei motorului s-a rupt în timpul producției, ci și în interior, unde stresul cel mai mare apare datorită concentrării tensiunilor în timpul funcționării.Adâncimea maximă a defectului este setată la 40 µm, care poate fi detectată prin detectarea curenților turbionari, iar adâncimea minimă este setată la o adâncime care corespunde cu 0,1% din diametrul firului de 2,5 mm.Prin urmare, adâncimea defectului este de la 2,5 la 40 µm.Adâncimea, lungimea și lățimea defectelor cu un raport de lungime de 0,1 ~ 1 și un raport de lungime de 5 ~ 15 au fost utilizate ca variabile și a fost evaluat efectul lor asupra rezistenței la oboseală a arcului.Tabelul 3 enumeră condițiile analitice determinate folosind metodologia suprafeței de răspuns.
Arcurile de supape ale motorului auto sunt fabricate prin înfășurare la rece, călire, sablare și setare la căldură a firului OT.Modificările defectelor de suprafață în timpul fabricării arcurilor trebuie luate în considerare pentru a evalua efectul defectelor inițiale ale suprafeței în firele OT asupra duratei de viață la oboseală a arcurilor supapelor motorului.Prin urmare, în această secțiune, analiza cu elemente finite este utilizată pentru a prezice deformarea defectelor de suprafață a firului OT în timpul fabricării fiecărui arc.
Pe fig.10 prezintă procesul de bobinare la rece.În timpul acestui proces, sârma OT este introdusă în ghidajul sârmei de către rola de alimentare.Ghidajul de sârmă alimentează și susține sârma pentru a preveni îndoirea în timpul procesului de formare.Sârma care trece prin ghidajul de sârmă este îndoită de prima și a doua tijă pentru a forma un arc elicoidal cu diametrul interior dorit.Pasul arcului este produs prin deplasarea sculei de pas după o revoluție.
Pe fig.11a prezintă un model cu elemente finite utilizat pentru a evalua modificarea geometriei defectelor de suprafață în timpul laminarii la rece.Formarea firului este completată în principal de știftul de înfășurare.Deoarece stratul de oxid de pe suprafața sârmei acționează ca un lubrifiant, efectul de frecare al rolei de alimentare este neglijabil.Prin urmare, în modelul de calcul, rola de alimentare și ghidajul sârmei sunt simplificate ca bucșă.Coeficientul de frecare dintre firul OT și instrumentul de formare a fost setat la 0,05.Planul corpului rigid 2D și condițiile de fixare sunt aplicate la capătul din stânga al liniei, astfel încât să poată fi alimentat în direcția X la aceeași viteză ca și rola de alimentare (0,6 m/s).Pe fig.11b prezintă metoda de sub-simulare utilizată pentru aplicarea unor mici defecte pe fire.Pentru a lua în considerare dimensiunea defectelor de suprafață, submodelul este aplicat de două ori pentru defectele de suprafață cu o adâncime de 20 µm sau mai mult și de trei ori pentru defectele de suprafață cu o adâncime mai mică de 20 µm.Defectele de suprafață sunt aplicate pe zonele formate cu pași egali.În modelul de ansamblu al arcului, lungimea bucății drepte de sârmă este de 100 mm.Pentru primul submodel, aplicați submodelul 1 cu o lungime de 3 mm pe o poziție longitudinală de 75 mm față de modelul global.Această simulare a folosit un element tridimensional (3D) hexagonal cu opt noduri.În modelul global și submodelul 1, lungimea laterală minimă a fiecărui element este de 0,5 și, respectiv, 0,2 mm.După analiza sub-modelului 1, defectele de suprafață sunt aplicate sub-modelului 2, iar lungimea și lățimea sub-modelului 2 este de 3 ori lungimea defectului de suprafață pentru a elimina influența condițiilor la limită ale sub-modelului, în În plus, 50% din lungime și lățime sunt utilizate ca adâncime a submodelului.În submodelul 2, lungimea laterală minimă a fiecărui element este de 0,005 mm.Anumite defecte de suprafață au fost aplicate analizei cu elemente finite, așa cum se arată în Tabelul 3.
Pe fig.12 prezintă distribuția tensiunilor în fisurile de suprafață după prelucrarea la rece a unei bobine.Modelul general și submodelul 1 prezintă aproape aceleași tensiuni de 1076 și 1079 MPa în același loc, ceea ce confirmă corectitudinea metodei de submodelare.Concentrațiile locale de tensiuni apar la marginile submodelului.Aparent, acest lucru se datorează condițiilor la limită ale submodelului.Datorită concentrării tensiunilor, submodelul 2 cu defecte de suprafață aplicate prezintă o solicitare de 2449 MPa la vârful defectului în timpul laminarii la rece.După cum se arată în Tabelul 3, defectele de suprafață identificate prin metoda suprafeței de răspuns au fost aplicate la interiorul arcului.Rezultatele analizei cu elemente finite au arătat că niciunul dintre cele 13 cazuri de defecte de suprafață nu a eșuat.
În timpul procesului de înfășurare în toate procesele tehnologice, adâncimea defectelor de suprafață din interiorul arcului a crescut cu 0,1–2,62 µm (Fig. 13a), iar lățimea a scăzut cu 1,8–35,79 µm (Fig. 13b), în timp ce lungimea a crescut cu 0,72 –34,47 µm (Fig. 13c).Deoarece defectul transversal în formă de V este închis în lățime prin îndoire în timpul procesului de laminare la rece, acesta este deformat într-un defect în formă de V cu o pantă mai abruptă decât defectul original.
Deformarea în adâncime, lățime și lungime a defectelor de suprafață a firului OT în procesul de fabricație.
Aplicați defecte de suprafață pe exteriorul arcului și preziceți probabilitatea de rupere în timpul laminarii la rece utilizând analiza cu elemente finite.În condițiile enumerate în tabel.3, nu există nicio probabilitate de distrugere a defectelor de pe suprafața exterioară.Cu alte cuvinte, nu a avut loc nicio distrugere la adâncimea defectelor de suprafață de la 2,5 la 40 µm.
Pentru a prezice defectele critice ale suprafeței, fracturile externe în timpul laminarii la rece au fost investigate prin creșterea adâncimii defectului de la 40 µm la 5 µm.Pe fig.14 prezintă fracturi de-a lungul defectelor de suprafață.Fractura are loc în condiții de adâncime (55 µm), lățime (2 µm) și lungime (733 µm).Adâncimea critică a unui defect de suprafață în afara arcului s-a dovedit a fi de 55 μm.
Procesul de șlefuire suprimă creșterea fisurilor și crește durata de viață la oboseală prin crearea unei tensiuni de compresie reziduale la o anumită adâncime de la suprafața arcului;cu toate acestea, induce concentrarea tensiunilor prin creșterea rugozității suprafeței arcului, reducând astfel rezistența la oboseală a arcului.Prin urmare, tehnologia de peening secundar este utilizată pentru a produce arcuri de înaltă rezistență, pentru a compensa reducerea duratei de viață la oboseală cauzată de creșterea rugozității suprafeței cauzată de greșarea.Peening-ul în două etape poate îmbunătăți rugozitatea suprafeței, efortul rezidual maxim la compresiune și stresul rezidual la compresiune la suprafață, deoarece a doua greșare este efectuată după prima greșare12,13,14.
Pe fig.15 prezintă un model analitic al procesului de sablare.A fost creat un model elastic-plastic în care 25 de bile au fost aruncate în zona locală țintă a liniei OT pentru sablare.În modelul de analiză prin sablare, defectele de suprafață ale firului OT deformate în timpul înfășurării la rece au fost utilizate ca defecte inițiale.Îndepărtarea tensiunilor reziduale rezultate din procesul de laminare la rece prin călire înainte de procesul de sablare.Au fost utilizate următoarele proprietăți ale sferei împușcate: densitate (ρ): 7800 kg/m3, modul elastic (E) – 210 GPa, raportul lui Poisson (υ): 0,3.Coeficientul de frecare dintre minge și material este setat la 0,1.Golurile cu diametrul de 0,6 și 0,3 mm au fost aruncate cu aceeași viteză de 30 m/s în timpul primei și celei de-a doua treceri de forjare.După procesul de sablare (printre alte procese de fabricație prezentate în Figura 13), adâncimea, lățimea și lungimea defectelor de suprafață din arc au variat de la -6,79 la 0,28 µm, -4,24 la 1,22 µm și -2,59 la 1,69 um, respectiv um.Datorită deformării plastice a proiectilului aruncat perpendicular pe suprafața materialului, adâncimea defectului scade, în special, lățimea defectului este redusă semnificativ.Aparent, defectul a fost închis din cauza deformării plastice cauzate de shot peening.
În timpul procesului de contracție termică, efectele contracției la rece și ale recoacerii la temperaturi scăzute pot acționa în același timp asupra arcului supapei motorului.O setare la rece maximizează nivelul de tensiune al arcului comprimându-l la cel mai înalt nivel posibil la temperatura camerei.În acest caz, dacă arcul supapei motorului este încărcat peste limita de curgere a materialului, arcul supapei motorului se deformează plastic, crescând forța de curgere.După deformarea plastică, arcul supapei se îndoaie, dar forța de curgere crescută asigură elasticitatea arcului supapei în funcționarea efectivă.Recoacere la temperaturi scăzute îmbunătățește rezistența la căldură și deformare a arcurilor supapelor care funcționează la temperaturi ridicate2.
Defectele de suprafață deformate în timpul sablare în analiza FE și câmpul de stres rezidual măsurat cu echipamente de difracție de raze X (XRD) au fost aplicate submodelului 2 (Fig. 8) pentru a deduce modificarea defectelor în timpul contracției termice.Arcul a fost proiectat să funcționeze în intervalul elastic și a fost comprimat de la înălțimea sa liberă de 50,5 mm până la înălțimea sa fermă de 21,8 mm și apoi a fost lăsat să revină la înălțimea inițială de 50,5 mm ca o condiție de analiză.În timpul contracției termice, geometria defectului se modifică nesemnificativ.Aparent, tensiunea de compresiune reziduală de 800 MPa și peste, creată prin sablare, suprimă deformarea defectelor de suprafață.După contracția termică (Fig. 13), adâncimea, lățimea și lungimea defectelor de suprafață au variat de la -0,13 la 0,08 µm, de la -0,75 la 0 µm și, respectiv, de la 0,01 la 2,4 µm.
Pe fig.16 compară deformațiile defectelor în formă de U și în formă de V de aceeași adâncime (40 µm), lățime (22 µm) și lungime (600 µm).Modificarea lățimii defectelor în formă de U și V este mai mare decât modificarea lungimii, care este cauzată de închiderea în direcția lățimii în timpul procesului de laminare la rece și sablare.Comparativ cu defectele în formă de U, defectele în formă de V s-au format la o adâncime relativ mai mare și cu pante mai abrupte, sugerând că se poate lua o abordare conservatoare atunci când se aplică defectele în formă de V.
Această secțiune discută despre deformarea defectului inițial în linia OT pentru fiecare proces de fabricație a arcului supapei.Defectul inițial al firului OT este aplicat în interiorul arcului supapei, unde este de așteptat o defecțiune din cauza solicitărilor mari în timpul funcționării arcului.Defectele de suprafață transversale în formă de V ale firelor OT au crescut ușor în adâncime și lungime și au scăzut brusc în lățime din cauza îndoirii în timpul înfășurării la rece.Închiderea în direcția lățimii are loc în timpul peening-ului cu deformare a defectelor puține sau deloc vizibile în timpul setarii finale la căldură.În procesul de laminare la rece și șlefuire, există o deformare mare în direcția lățimii din cauza deformării plastice.Defectul în formă de V din interiorul arcului supapei este transformat într-un defect în formă de T datorită închiderii lățimii în timpul procesului de laminare la rece.