MODELING THE INFLUENCE OF THE HETEROGENEOUS STRUCTURE OF ALLOYS ON PROVIDING QUALITATIVE CHARACTERISTICS OF THE SURFACE LAYER IN FINISHING OPERATIONS

Abstract

The paper proposes modeling thermomechanical phenomena that form in products at finishing operations and affecting the quality of the surface layer, taking into account hereditary inhomogeneities formed in previous technological operations, establishing their influence on cracking and scallop formation based on a quantitative analysis of the thermal and stress state and taking into account heterogeneity material of products. The stress intensity coefficients ,  і  serve as a measure of the stress singularity at the apex of the crack-like defect. When the load leads to the fact that the stress intensity becomes equal to the critical, the crack-like defect turns into the main crack. Under conditions of uneven heating in the surface layer, there are stresses, which in the presence of cracked defects in the body can lead to their spread even in the absence of external mechanical loads. It was found that the size and orientation of these defects, the depth of their occurrence and their relative position in the surface layer, and the magnitude of the heat flux acting on the treated surface affect the value of the stress intensity factors for defects such as cracks. For any coefficients of thermal conductivity, linear thermal expansion, and shear moduli of the matrix and inclusion, changes in stress intensity factors (SIF) are shown if the heat flux is directed perpendicular to the crack in the inclusion, and vice versa, if parallel to the crack. The geometry and properties of inclusions, which can create conditions for retardation and the development of grinding cracks, are considered. Suppose the heat flux is directed parallel to the greater axis of the elliptical inclusion and a rectilinear thermally insulated crack. In that case, when the temperature coefficient of linear expansion (TCLE) of the inclusion is greater than that of the matrix, an increase in the stiffness of the inclusion leads to an increase in the stress intensity factors for different ratios of the thermal conductivity coefficients of the material constituents. It leads to the development of microcracks. Furthermore, vice versa, if the TLEC of the inclusion is less than that of the matrix, a decrease in the stiffness of the inclusion leads to a decrease in the stress intensity factors KI (KII = 0) for the exact ratios of the thermal conductivity coefficients, i.e., there are favorable conditions for the non-proliferation of microcracks. The presence of a rigid inclusion in the case of a power load leads to an increase, and in the case of a thermal one, to a decrease in the  value.

У роботі запропоновано моделювання термомеханічних явищ, які формуються у виробах на фінішних операціях і впливають на якість поверхневого шару з урахуванням спадкових неоднорідностей, сформованих на попередніх технологічних операціях, встановлення впливу їх на тріщино- і припікоутворення на основі кількісного аналізу теплового і напруженого стану і з урахуванням гетерогенності матеріалу виробів. Коефіцієнти інтенсивності напружень ,  і  служать мірою сингулярності напружень біля вершини тріщиноподібного дефекту. Коли навантаження призводить до того, що інтенсивність напружень стає рівною критичній, то тріщиноподібний дефект перетворюється в магістральну тріщину. В умовах нерівномірного нагріву в поверхневому шарі виникають напруження, які при наявності в тілі тріщиноподібних дефектів можуть привести до їх розповсюдження навіть при відсутності зовнішніх механічних навантажень. Встановлено, що на величину коефіцієнтів інтенсивності напружень для дефектів типу тріщин впливають розміри і орієнтація цих дефектів, глибина їх залягання і взаємне розташування в поверхневому шарі, величина теплового потоку, який діє на оброблювану поверхню. Для будь-яких коефіцієнтів теплопровідності, лінійного температурного розширення і модулів зсуву матриці і включення показано зміни коефіцієнтів інтенсивності напружень (КІН), якщо тепловий потік спрямований перпендикулярно тріщині, яка знаходиться у включенні, і навпаки, якщо паралельно тріщині. Розглянуті геометрія і властивості включень, які можуть створювати умови, як для гальмування так і для розвитку шліфувальних тріщин. Якщо тепловий потік направлений паралельно більшій осі еліптичного включення і прямолінійній термоізольованій тріщині, то при температурному коефіцієнті лінійного розширення (ТКЛР) включення більшому, ніж в основному матеріалі виробу, збільшення жорсткості включення призводить до зростання коефіцієнтів інтенсивності напружень для різних коефіцієнтів теплопровідності складових матеріалу. Це призводить до розвитку мікротріщини. І навпаки, якщо ТКЛР включення менше, ніж у основного матеріалу, зменшення жорсткості включення призводить до зниження коефіцієнтів інтенсивності напружень  () для тих же коефіцієнтів теплопровідності, тобто є сприятливі умови для нерозповсюдження мікротріщин.