רכיב כימי של צינור סליל נירוסטה 310, השפעת פגמי פני השטח בחוט פלדה מוקשה בשמן על חיי העייפות של קפיצי שסתומים במנועי רכב

תודה שביקרת ב-Nature.com.אתה משתמש בגרסת דפדפן עם תמיכת CSS מוגבלת.לקבלת החוויה הטובה ביותר, אנו ממליצים להשתמש בדפדפן מעודכן (או להשבית את מצב תאימות ב-Internet Explorer).בנוסף, כדי להבטיח תמיכה שוטפת, אנו מציגים את האתר ללא סגנונות ו-JavaScript.
סליידרים המציגים שלושה מאמרים בכל שקופית.השתמש בלחצנים 'הקודם' וה'הבא' כדי לעבור בין השקופיות, או בלחצני בקר השקופיות שבקצה כדי לעבור בין כל שקופית.

נירוסטה 310 צינורות מפותלים / צינורות מפותליםתרכובת כימיתוהרכב

הטבלה הבאה מציגה את ההרכב הכימי של פלדת אל חלד דרגה 310S.

10*1 מ"מ 9.25*1.24 מ"מ 310 ספקי צינורות מפותלים נימי נירוסטה

תכונות גשמיות

המאפיינים הפיזיים של נירוסטה דרגה 310S מוצגים בטבלה הבאה.

תכונות מכאניות

הטבלה הבאה מתארת ​​את המאפיינים המכניים של פלדת אל חלד דרגה 310S.

מאפיינים תרמיים

התכונות התרמיות של נירוסטה דרגה 310S ניתנות בטבלה הבאה.

ייעודים אחרים

ייעודים אחרים המקבילים לנירוסטה דרגה 310S מפורטים בטבלה הבאה.

מטרת מחקר זה היא להעריך את חיי העייפות של קפיץ שסתום של מנוע רכב בעת יישום מיקרו-פגמים על חוט מוקשה בשמן בדרגת 2300 MPa (חוט OT) עם עומק פגם קריטי של 2.5 מ"מ בקוטר.ראשית, העיוות של פגמי פני השטח של חוט ה-OT במהלך ייצור קפיץ השסתום התקבל על ידי ניתוח אלמנטים סופיים בשיטות סובסימולציה, והמתח השיורי של הקפיץ המוגמר נמדד והוחל על מודל ניתוח מתח הקפיץ.שנית, נתח את חוזק קפיץ השסתום, בדוק אם יש מתח שיורי, והשווה את רמת הלחץ המופעל עם פגמים במשטח.שלישית, ההשפעה של פגמים מיקרו על חיי העייפות של הקפיץ הוערכה על ידי הפעלת הלחץ על פגמי פני השטח שהתקבלו מניתוח חוזק הקפיץ על עקומות SN שהתקבלו מבדיקת עייפות הכיפוף במהלך סיבוב החוט OT.עומק פגמים של 40 מיקרומטר הוא התקן הנוכחי לניהול פגמי שטח מבלי לפגוע בחיי העייפות.
לתעשיית הרכב יש דרישה חזקה לרכיבי רכב קלים לשיפור יעילות הדלק של כלי רכב.לפיכך, השימוש בפלדה חוזק גבוה מתקדם (AHSS) הולך וגובר בשנים האחרונות.קפיצי שסתום מנוע רכב מורכבים בעיקר מחוטי פלדה עמידים בחום, עמידים בפני שחיקה ובלתי נפולים (חוטי OT).
בשל חוזק המתיחה הגבוה שלהם (1900–2100 MPa), חוטי ה-OT המשמשים כיום מאפשרים להפחית את הגודל והמסה של קפיצי שסתומי המנוע, לשפר את יעילות הדלק על ידי הפחתת החיכוך עם החלקים הסובבים1.בשל יתרונות אלו, השימוש במוט חוט במתח גבוה גדל במהירות, ומוט חוט בעל חוזק אולטרה-גבוה בדרגת 2300MPa מופיע בזה אחר זה.קפיצי שסתומים במנועי רכב דורשים חיי שירות ארוכים מכיוון שהם פועלים תחת עומסים מחזוריים גבוהים.כדי לעמוד בדרישה זו, יצרנים מחשיבים בדרך כלל חיי עייפות של יותר מ-5.5×107 מחזורים בעת תכנון קפיצי שסתום ומפעילים לחץ שיורי על פני קפיץ השסתום באמצעות תהליכי חיטוי וכיווץ חום כדי לשפר את חיי העייפות2.
היו לא מעט מחקרים על חיי העייפות של קפיצים סלילניים בכלי רכב בתנאי הפעלה רגילים.גזל ואח'.מוצגים ניתוחים אנליטיים, ניסויים ואלמנטים סופיים (FE) של קפיצים סליליים אליפטיים עם זוויות סליל קטנות תחת עומס סטטי.מחקר זה מספק ביטוי מפורש ופשוט למיקום של מתח גזירה מירבי לעומת יחס רוחב-גובה ואינדקס קשיחות, וכן מספק תובנה אנליטית לגבי מתח גזירה מרבי, פרמטר קריטי בעיצובים מעשיים3.פסטורצ'יק וחב'.מתוארות תוצאות ניתוח ההרס והעייפות של קפיץ סליל שהוסר ממכונית פרטית לאחר כשל בפעולה.בשיטות ניסיוניות נבדק קפיץ שבור והתוצאות מצביעות על כך שזוהי דוגמה לכשל בעייפות קורוזיה4.חור וכו'. פותחו מספר מודלים של קפיצי רגרסיה ליניארית כדי להעריך את חיי העייפות של קפיצי סליל לרכב.פוטרה ואחרים.בגלל חוסר האחידות של פני הכביש, נקבעים חיי השירות של הקפיץ הסליל של המכונית.עם זאת, מחקר קטן נעשה על האופן שבו פגמים על פני השטח המתרחשים במהלך תהליך הייצור משפיעים על החיים של קפיצי סליל לרכב.
פגמים פני השטח המתרחשים במהלך תהליך הייצור עלולים להוביל לריכוז מתח מקומי בקפיצי שסתומים, מה שמפחית משמעותית את חיי העייפות שלהם.פגמים פני השטח של קפיצי שסתומים נגרמים מגורמים שונים, כגון פגמים פני השטח של חומרי הגלם בהם נעשה שימוש, פגמים בכלים, טיפול גס במהלך גלגול קר7.פגמי פני השטח של חומר הגלם הם בצורת V בצורה תלולה עקב גלגול חם ושרטוט רב-מעבר, בעוד שהפגמים הנגרמים על ידי כלי העיצוב וטיפול רשלני הם בצורת U עם שיפועים עדינים8,9,10,11.פגמים בצורת V גורמים לריכוזי מתח גבוהים יותר מאשר פגמים בצורת U, כך שקריטריונים מחמירים לניהול פגמים מיושמים בדרך כלל על חומר המוצא.
תקני ניהול פגמי משטח נוכחיים עבור חוטי OT כוללים ASTM A877/A877M-10, DIN EN 10270-2, JIS G 3561, ו-KS D 3580. DIN EN 10270-2 מציין כי עומק פגם משטח בקוטר חוטים של 0.5-2 10 מ"מ הוא פחות מ-0.5-1% מקוטר החוט.בנוסף, JIS G 3561 ו-KS D 3580 דורשים שעומק פגמי השטח בחוט בקוטר 0.5-8 מ"מ יהיה פחות מ-0.5% מקוטר החוט.ב-ASTM A877/A877M-10, היצרן והרוכש חייבים להסכים על העומק המותר של פגמי פני השטח.כדי למדוד את עומק הפגם על פני חוט, החוט נחרט בדרך כלל בחומצה הידרוכלורית, ולאחר מכן מודדים את עומק הפגם באמצעות מיקרומטר.עם זאת, בשיטה זו ניתן למדוד פגמים רק באזורים מסוימים ולא על כל פני השטח של המוצר הסופי.לכן, יצרנים משתמשים בבדיקת זרם מערבולת במהלך תהליך שרטוט החוטים כדי למדוד פגמים במשטח בחוט המיוצר באופן רציף;בדיקות אלו יכולות למדוד את עומק פגמי השטח עד ל-40 מיקרומטר.לחוט הפלדה 2300MPa בפיתוח חוזק מתיחה גבוה יותר והתארכות נמוכה יותר מאשר לחוט הפלדה הקיים בדרגת 1900-2200MPa, כך שחיי העייפות של קפיץ השסתומים נחשבים לרגישים מאוד לפגמי פני השטח.לכן, יש צורך לבדוק את בטיחות יישום התקנים הקיימים לבקרת עומק פגמי פני השטח עבור חוטי פלדה בדרגה 1900-2200 MPa ועד חוט פלדה בדרגה 2300 MPa.
מטרת מחקר זה היא להעריך את חיי העייפות של קפיץ שסתום מנוע רכב כאשר עומק הפגם המינימלי הנמדד על ידי בדיקת זרם מערבולת (כלומר 40 מיקרומטר) מוחל על חוט OT בדרגה 2300 MPa (קוטר: 2.5 מ"מ): פגם קריטי עומק .התרומה והמתודולוגיה של מחקר זה הן כדלקמן.
בתור הפגם הראשוני בחוט ה-OT, נעשה שימוש בפגם בצורת V, המשפיע מאוד על חיי העייפות, בכיוון הרוחבי ביחס לציר החוט.שקול את היחס בין הממדים (α) והאורך (β) של פגם פני השטח כדי לראות את השפעת העומק שלו (h), רוחב (w) ואורך (l).פגמים פני השטח מתרחשים בתוך הקפיץ, שבו מתרחש כשל ראשון.
כדי לחזות את העיוות של פגמים ראשוניים בחוט OT במהלך סלילה קרה, נעשה שימוש בגישת סאב-סימולציה, אשר לקחה בחשבון את זמן הניתוח וגודל פגמי השטח, שכן הפגמים קטנים מאוד בהשוואה לחוט OT.מודל גלובלי.
מתחי הלחיצה הנותרים באביב לאחר הצפה דו-שלבית חושבו בשיטת האלמנטים הסופיים, התוצאות הושוו עם המדידות לאחר ההצפה בירייה כדי לאשר את המודל האנליטי.בנוסף, נמדדו מתחים שיוריים בקפיצי שסתומים מכל תהליכי הייצור והוחלו לניתוח חוזק קפיצים.
מתחים בפגמים פני השטח נחזו על ידי ניתוח חוזק הקפיץ, תוך התחשבות בעיוות הפגם במהלך גלגול קר ובלחץ הלחיצה השיורי בקפיץ המוגמר.
בדיקת עייפות הכיפוף הסיבובית בוצעה באמצעות חוט OT העשוי מאותו חומר כמו קפיץ השסתום.על מנת לתאם את מאפייני הלחץ השיוריים וחספוס פני השטח של קפיצי השסתום המיוצרים לקווי ה-OT, עקומות SN התקבלו על ידי בדיקות עייפות בכיפוף סיבוביות לאחר יישום הצפה ופיתול דו-שלבי כתהליכי טיפול מקדים.
התוצאות של ניתוח חוזק הקפיץ מיושמות על משוואת גודמן ועל עקומת SN כדי לחזות את חיי עייפות קפיץ השסתום, כמו כן מוערכת ההשפעה של עומק פגם פני השטח על חיי העייפות.
במחקר זה, נעשה שימוש בחוט בדרגת 2300 MPa OT בקוטר של 2.5 מ"מ כדי להעריך את חיי העייפות של קפיץ שסתום מנוע רכב.ראשית, בוצעה בדיקת מתיחה של החוט כדי לקבל את דגם השבר הרקיע שלו.
התכונות המכניות של חוט OT התקבלו מבדיקות מתיחה לפני ניתוח אלמנטים סופיים של תהליך הפיתול הקרה וחוזק הקפיץ.עקומת המתח-מתח של החומר נקבעה באמצעות תוצאות בדיקות מתיחה בשיעור מתח של 0.001 s-1, כפי שמוצג באיור.1. נעשה שימוש בחוט SWONB-V, וחוזק התפוקה שלו, חוזק המתיחה, מודול האלסטי ויחס Poisson הם 2001.2MPa, 2316MPa, 206GPa ו-0.3 בהתאמה.התלות של מתח במתח הזרימה מתקבלת באופן הבא:
אורז.2 ממחיש את תהליך השבר רקיע.החומר עובר דפורמציה אלסטופלסטית בזמן דפורמציה, והחומר מצטמצם כאשר המתח בחומר מגיע לחוזק המתיחה שלו.לאחר מכן, יצירה, צמיחה ושיוך של חללים בתוך החומר מובילים להרס החומר.
מודל שבר רקיע משתמש במודל דפורמציה קריטי עם שינוי מתח שלוקח בחשבון את השפעת הלחץ, ושבר לאחר הצוואר משתמש בשיטת הצטברות הנזק.כאן, התחלת הנזק מתבטאת כפונקציה של מתח, טריקסיות מתח וקצב מתח.תלת הלחץ מוגדרת כערך הממוצע המתקבל על ידי חלוקת המתח ההידרוסטטי הנגרם מהדפורמציה של החומר עד להיווצרות הצוואר במתח האפקטיבי.בשיטת צבירת נזקים, הרס מתרחש כאשר ערך הנזק מגיע ל-1, והאנרגיה הנדרשת כדי להגיע לערך הנזק של 1 מוגדרת כאנרגיית ההרס (Gf).אנרגיית השבר מתאימה לאזור של עקומת הלחץ-תזוזה האמיתית של החומר משלב הצוואר ועד זמן השבר.
במקרה של פלדות קונבנציונליות, בהתאם למצב הלחץ, שבר רקיע, שבר גזירה או שבר מצב מעורב מתרחש עקב משיכות ושבר גזירה, כפי שמוצג באיור 3. מתיחה של השבר והמתח הראו ערכים שונים עבור דפוס שבר.
כשל פלסטי מתרחש באזור התואם לטריאקסיאליות מתח של יותר מ-1/3 (אזור I), וניתן להסיק את מתיחת השבר ותלת-המתח מבדיקות מתיחה בדגימות עם פגמים וחריצים על פני השטח.באזור המתאים לטריאקסיאליות המאמץ של 0 ~ 1/3 (אזור II), מתרחש שילוב של שבר רקיע וכשל גזירה (כלומר באמצעות בדיקת פיתול. באזור המתאים לטריקסיאליות המתח מ-1/3 עד 0 (III), כשל גזירה הנגרם על ידי דחיסה, ומתח שבר ומתח תלת-אקסיאליות ניתן להשיג על ידי מבחן עצבנות.
עבור חוטי OT המשמשים בייצור קפיצי שסתומי מנוע, יש צורך לקחת בחשבון את השברים הנגרמים מתנאי העמסה שונים במהלך תהליך הייצור ותנאי היישום.לפיכך, בוצעו מבחני מתיחה ופיתול כדי ליישם את קריטריון מתח הכשל, נבחנה ההשפעה של תלת-ציריות המתח על כל מצב מתח, ובוצעה ניתוח אלמנטים סופיים אלסטופלסטיים במתיחות גדולים כדי לכמת את השינוי בטרי-אקסיאליות המתח.מצב הדחיסה לא נחשב בגלל המגבלה של עיבוד דגימה, כלומר, קוטר חוט ה-OT הוא רק 2.5 מ"מ.טבלה 1 מפרטת את תנאי הבדיקה עבור מתיחה ופיתול, כמו גם תלת-ציריות מתח ומתח שבר, המתקבלים באמצעות ניתוח אלמנטים סופיים.
ניתן לחזות את מתח השבר של פלדות תלת-ציריות קונבנציונליות תחת לחץ באמצעות המשוואה הבאה.
כאשר C1: \({\overline{{\varepsilon}_{0}}}^{pl}\) חתך נקי (η = 0) ו-C2: \({\overline{{\varepsilon}_{0} } }^{pl}\) מתח חד-צירי (η = η0 = 1/3).
קווי המגמה עבור כל מצב מתח מתקבלים על ידי החלת ערכי מתיחת השבר C1 ו-C2 במשוואה.(2);C1 ו-C2 מתקבלים מבדיקות מתיחה ופיתול בדגימות ללא פגמים פני השטח.איור 4 מציג את התלת-ציריות המתח ומתח השבר שהתקבלו מהבדיקות ואת קווי המגמה החזויים על ידי המשוואה.(2) קו המגמה המתקבל מהבדיקה והקשר בין תלת-אקסיאליות מתח ומתח שבר מראים מגמה דומה.מתיחת השבר ותלת-ציריות המתח עבור כל מצב מתח, שהתקבלו מיישום קווי מגמה, שימשו כקריטריונים לשבר רקיע.
אנרגיית השבירה משמשת כתכונה חומרית לקביעת זמן השבירה לאחר הצוואר וניתן לקבל אותה מבדיקות מתיחה.אנרגיית השבר תלויה בנוכחות או היעדר סדקים על פני החומר, שכן זמן השבר תלוי בריכוז הלחצים המקומיים.איורים 5a-c מציגים את אנרגיות השבר של דגימות ללא פגמים על פני השטח ודגימות עם חריצים R0.4 או R0.8 מבדיקות מתיחה וניתוח אלמנטים סופיים.אנרגיית השבר תואמת את השטח של עקומת הלחץ-תזוזה האמיתית משלב הצוואר ועד זמן השבר.
אנרגיית השבר של חוט OT עם פגמים משטחים עדינים נחזו על ידי ביצוע בדיקות מתיחה על חוט OT עם עומק פגם גדול מ-40 מיקרומטר, כפי שמוצג באיור 5d.עשר דגימות עם פגמים שימשו בבדיקות המתיחה ואנרגיית השבר הממוצעת הוערכה ב-29.12 mJ/mm2.
פגם פני השטח המתוקנן מוגדר כיחס בין עומק הפגם לקוטר חוט קפיץ השסתום, ללא קשר לגיאומטריית הפגם של פני השטח של חוט ה-OT המשמש בייצור קפיצי שסתומים לרכב.ניתן לסווג פגמים בחוטי OT על סמך כיוון, גיאומטריה ואורך.גם עם אותו עומק פגם, רמת הלחץ הפועל על פגם פני השטח בקפיץ משתנה בהתאם לגיאומטריה ולכיוון הפגם, ולכן הגיאומטריה והכיוון של הפגם יכולים להשפיע על חוזק העייפות.לכן, יש צורך לקחת בחשבון את הגיאומטריה והכיוון של פגמים בעלי ההשפעה הגדולה ביותר על חיי העייפות של קפיץ על מנת להחיל קריטריונים מחמירים לניהול פגמי פני השטח.בשל מבנה הגרגר העדין של חוט OT, חיי העייפות שלו רגישים מאוד לחריצים.לכן, הפגם המציג את ריכוז המתח הגבוה ביותר לפי הגיאומטריה והכיוון של הפגם צריך להיות מוגדר כליקוי הראשוני באמצעות ניתוח אלמנטים סופיים.על איור.6 מציג את קפיצי השסתומים לרכב בעלי חוזק אולטרה-גבוה של 2300 MPa המשמשים במחקר זה.
פגמים פני השטח של חוט OT מחולקים לפגמים פנימיים ולפגמים חיצוניים לפי ציר הקפיץ.עקב הכיפוף במהלך גלגול קר, מתח לחיצה ומתח מתיחה פועלים בחלקו הפנימי והחיצוני של הקפיץ, בהתאמה.שבר יכול להיגרם על ידי פגמים פני השטח המופיעים מבחוץ עקב מתחי מתיחה במהלך גלגול קר.
בפועל, המעיין נתון לדחיסה והרפיה תקופתית.במהלך דחיסת הקפיץ מתפתל חוט הפלדה, ובשל ריכוז הלחצים מתח הגזירה בתוך הקפיץ גבוה ממתח הגזירה שמסביב7.לכן, אם יש פגמים פני השטח בתוך הקפיץ, ההסתברות לשבירת הקפיץ היא הגדולה ביותר.לפיכך, הצד החיצוני של הקפיץ (המיקום בו צפוי כשל במהלך ייצור הקפיץ) והצד הפנימי (שם הלחץ הגדול ביותר ביישום בפועל) נקבעים כמיקומי פגמי השטח.
גיאומטריית הפגם של פני השטח של קווי OT מחולקת לצורת U, צורת V, צורת Y וצורת T.סוג Y ו-T קיימים בעיקר בפגמים פני השטח של חומרי גלם, ופגמים מסוג U ו-V מתרחשים עקב טיפול רשלני בכלים בתהליך הגלגול הקר.בהתייחס לגיאומטריה של פגמי פני השטח בחומרי גלם, פגמים בצורת U הנובעים מעיוות פלסטי לא אחיד במהלך גלגול חם מעוותים לפגמי תפר בצורת V, בצורת Y וצורת T במתיחה מרובת מעברים8, 10.
בנוסף, פגמים בצורת V, בצורת Y וצורת T עם נטיות תלולות של החריץ על פני השטח יהיו נתונים לריכוז מתח גבוה במהלך פעולת הקפיץ.קפיצי השסתום מתכופפים במהלך גלגול קר ומתפתלים במהלך הפעולה.ריכוזי מתח של פגמים בצורת V ו-Y עם ריכוזי מתח גבוהים יותר הושוו באמצעות ניתוח אלמנטים סופיים, ABAQUS - תוכנה מסחרית לניתוח אלמנטים סופיים.יחסי המתח-מתח מוצגים באיור 1 ובמשוואה 1. (1) סימולציה זו משתמשת באלמנט דו-ממדי (2D) מלבני בעל ארבעה צמתים, ואורך צד האלמנט המינימלי הוא 0.01 מ"מ.עבור המודל האנליטי, פגמים בצורת V ו-Y בעומק של 0.5 מ"מ ובשיפוע הפגם של 2° יושמו על מודל דו-ממדי של חוט בקוטר של 2.5 מ"מ ואורך של 7.5 מ"מ.
על איור.7a מציג את ריכוז מתח הכיפוף בקצה כל פגם כאשר מומנט כיפוף של 1500 ננומטר מוחל על שני הקצוות של כל חוט.תוצאות הניתוח מראות שהמתחים המרביים של 1038.7 ו-1025.8 MPa מתרחשים בחלק העליון של פגמים בצורת V ו-Y, בהתאמה.על איור.7b מציג את ריכוז המתח בחלק העליון של כל פגם שנגרם מפיתול.כאשר הצד השמאלי מוגבל ומופעל על הצד הימני מומנט של 1500 N∙mm, אותו מתח מרבי של 1099 MPa מתרחש בקצות הפגמים בצורת V וצורת Y.תוצאות אלו מראות כי פגמים מסוג V מציגים מתח כיפוף גבוה יותר מאשר פגמים מסוג Y כאשר יש להם אותו עומק ושיפוע של הפגם, אך הם חווים את אותו מתח פיתול.לכן, ניתן לנרמל פגמים משטחים בצורת V ו-Y עם אותו עומק ושיפוע של הפגם לצורת V עם מתח מקסימלי גבוה יותר הנגרם מריכוז מתח.יחס גודל הפגם מסוג V מוגדר כ-α = w/h באמצעות העומק (h) והרוחב (w) של הליקויים מסוג V ו-T;לפיכך, פגם מסוג T (α ≈ 0) במקום זאת, ניתן להגדיר את הגיאומטריה על ידי המבנה הגיאומטרי של פגם מסוג V.לכן, ניתן לנרמל פגמים מסוג Y ו-T על ידי פגמים מסוג V.באמצעות עומק (h) ואורך (l), יחס האורך מוגדר אחרת כ-β = l/h.
כפי שמוצג באיור 811, הכיוונים של פגמים פני השטח של חוטי OT מחולקים לכיוונים אורכיים, רוחביים ואלכסוניים, כפי שמוצג באיור 811. ניתוח השפעת הכיוון של פגמי פני השטח על חוזק הקפיץ על ידי האלמנט הסופי שיטה.
על איור.9a מציג את מודל ניתוח מתח קפיצי שסתומי המנוע.כתנאי ניתוח, הקפיץ נדחס מגובה חופשי של 50.5 מ"מ לגובה קשיח של 21.8 מ"מ, נוצר מתח מרבי של 1086 MPa בתוך הקפיץ, כפי שמוצג באיור 9b.מכיוון שהכשל של קפיצי שסתום המנוע בפועל מתרחש בעיקר בתוך הקפיץ, נוכחותם של פגמים פנימיים בפני השטח צפויה להשפיע באופן רציני על חיי העייפות של הקפיץ.לכן, פגמים פני השטח בכיווני האורך, הרוחבי והאלכסוני מוחלים על החלק הפנימי של קפיצי שסתומי המנוע באמצעות טכניקות תת-מודל.טבלה 2 מציגה את מידות פגמי השטח ואת המתח המרבי בכל כיוון של הפגם בדחיסת קפיץ מקסימלית.הלחצים הגבוהים ביותר נצפו בכיוון הרוחבי, והיחס בין הלחצים בכיוון האורך והאלכסוני לכיוון הרוחבי נאמד ב-0.934–0.996.ניתן לקבוע את יחס המתח על ידי חלוקת ערך זה במתח הרוחבי המקסימלי.המתח המרבי בקפיץ מתרחש בחלק העליון של כל פגם פני השטח, כפי שמוצג באיור 9s.ערכי המתח הנצפים בכיווני האורך, הרוחבי והאלכסוני הם 2045, 2085 ו-2049 MPa, בהתאמה.תוצאות הניתוחים הללו מראות שלפגמים במשטח הרוחבי יש את ההשפעה הישירה ביותר על חיי העייפות של קפיצי שסתומי המנוע.
פגם בצורת V, אשר מניחים כי משפיע בצורה הישירות ביותר על חיי העייפות של קפיץ שסתום המנוע, נבחר כפגם הראשוני של חוט ה-OT, והכיוון הרוחבי נבחר ככיוון הפגם.פגם זה מתרחש לא רק בחוץ, שבו קפיץ שסתום המנוע נשבר במהלך הייצור, אלא גם בפנים, שבו הלחץ הגדול ביותר מתרחש עקב ריכוז הלחץ במהלך הפעולה.עומק הפגם המרבי מוגדר ל-40 מיקרומטר, שניתן לזהות על ידי זיהוי ליקויים בזרם מערבולת, והעומק המינימלי מוגדר לעומק המתאים ל-0.1% מקוטר החוט של 2.5 מ"מ.לכן, עומק הפגם הוא בין 2.5 ל-40 מיקרומטר.עומק, אורך ורוחב של פגמים עם יחס אורך של 0.1~1 ויחס אורך של 5~15 שימשו כמשתנים, והשפעתם על חוזק העייפות של הקפיץ הוערכה.טבלה 3 מפרטת את התנאים האנליטיים שנקבעו באמצעות מתודולוגיית משטח התגובה.
קפיצי שסתום מנוע רכב מיוצרים על ידי סלילה קרה, חישול, פיצוץ ירי והגדרת חום של חוט OT.יש לקחת בחשבון שינויים בפגמי פני השטח במהלך ייצור קפיצים כדי להעריך את ההשפעה של פגמי שטח ראשוניים בחוטי OT על חיי העייפות של קפיצי שסתומי המנוע.לכן, בסעיף זה, נעשה שימוש בניתוח אלמנטים סופיים כדי לחזות את העיוות של פגמים במשטח חוטי OT במהלך ייצור כל קפיץ.
על איור.10 מציג את תהליך הסלילה הקרה.במהלך תהליך זה, חוט ה-OT מוזן למוביל החוט על ידי רולר ההזנה.מוביל החוט מזין ותומך בחוט כדי למנוע כיפוף במהלך תהליך הגיבוש.החוט העובר דרך מוביל החוט מכופף על ידי המוט הראשון והשני ליצירת קפיץ סליל בקוטר הפנימי הרצוי.גובה הקפיץ מיוצר על ידי הזזת כלי הדריכה לאחר סיבוב אחד.
על איור.11a מציג מודל אלמנטים סופיים המשמשים להערכת השינוי בגיאומטריה של פגמים פני השטח במהלך גלגול קר.יצירת החוט הושלמה בעיקר על ידי הסיכה המתפתלת.מכיוון ששכבת התחמוצת על פני החוט פועלת כחומר סיכה, אפקט החיכוך של רולר ההזנה זניח.לכן, במודל החישוב, רולר ההזנה ומוביל החוט מפושטים כמו תותב.מקדם החיכוך בין חוט ה-OT לכלי היצירה נקבע ל-0.05.מישור הגוף הקשיח הדו-ממדי ותנאי הקיבוע מוחלים על הקצה השמאלי של הקו, כך שניתן להזין אותו בכיוון X באותה מהירות כמו גלגלת ההזנה (0.6 מ'/שניה).על איור.11b מציגה את שיטת הסאב-סימולציה המשמשת להחלת פגמים קטנים על חוטים.כדי לקחת בחשבון את גודלם של פגמי פני השטח, תת המודל מיושם פעמיים עבור פגמי פני השטח בעומק של 20 מיקרומטר או יותר ושלוש פעמים עבור פגמי פני השטח בעומק של פחות מ-20 מיקרומטר.פגמים פני השטח מוחלים על אזורים שנוצרו עם שלבים שווים.בדגם הכולל של הקפיץ, אורך חתיכת החוט הישר הוא 100 מ"מ.עבור תת-הדגם הראשון, החל את תת-דגם 1 באורך של 3 מ"מ למיקום אורך של 75 מ"מ מהדגם הגלובלי.סימולציה זו השתמשה באלמנט משושה תלת מימדי (3D) בעל שמונה צמתים.בדגם הגלובלי ובתת-דגם 1, אורך הצד המינימלי של כל אלמנט הוא 0.5 ו-0.2 מ"מ, בהתאמה.לאחר ניתוח של תת-דגם 1, פגמי פני השטח מוחלים על תת-דגם 2, והאורך והרוחב של תת-דגם 2 הם פי 3 מאורך הפגם של פני השטח כדי לבטל את ההשפעה של תנאי הגבול של תת-הדגם, ב. בנוסף, 50% מהאורך והרוחב משמשים כעומק של תת הדגם.בתת-דגם 2, אורך הצד המינימלי של כל אלמנט הוא 0.005 מ"מ.פגמים מסוימים של פני השטח יושמו בניתוח האלמנטים הסופיים כפי שמוצג בטבלה 3.
על איור.12 מציג את התפלגות המתח בסדקים משטחים לאחר עבודה קרה של סליל.הדגם הכללי ותת הדגם 1 מציגים כמעט את אותם מתחים של 1076 ו-1079 MPa באותו מקום, מה שמאשר את נכונות שיטת המשנה.ריכוזי מתח מקומיים מתרחשים בקצוות הגבול של תת המודל.ככל הנראה, זה נובע מתנאי הגבול של תת המודל.עקב ריכוז המתח, תת-דגם 2 עם פגמים משטחים מיושמים מציג מתח של 2449 MPa בקצה הפגם במהלך גלגול קר.כפי שמוצג בטבלה 3, פגמי פני השטח שזוהו בשיטת משטח התגובה יושמו בחלק הפנימי של הקפיץ.תוצאות ניתוח האלמנטים הסופיים הראו שאף אחד מ-13 המקרים של פגמים פני השטח לא נכשל.
במהלך תהליך הפיתול בכל התהליכים הטכנולוגיים, עומק פגמי השטח בתוך הקפיץ גדל ב-0.1-2.62 מיקרומטר (איור 13א), והרוחב ירד ב-1.8-35.79 מיקרומטר (איור 13b), בעוד האורך גדל ב-0.72 –34.47 מיקרומטר (איור 13ג).מכיוון שהפגם הרוחבי בצורת V נסגר ברוחב על ידי כיפוף במהלך תהליך הגלגול הקר, הוא מעוות לפגם בצורת V עם שיפוע תלול יותר מהפגם המקורי.
דפורמציה בעומק, רוחב ואורך של פגמים במשטח חוט OT בתהליך הייצור.
החל פגמים משטחים על החלק החיצוני של הקפיץ וחזה את הסבירות לשבירה במהלך גלגול קר באמצעות ניתוח אלמנטים סופיים.בתנאים המפורטים בטבלה.3, אין סבירות להרס של פגמים במשטח החיצוני.במילים אחרות, לא התרחש הרס בעומק של פגמים פני השטח בין 2.5 ל-40 מיקרומטר.
כדי לחזות פגמי שטח קריטיים, שברים חיצוניים במהלך גלגול קר נחקרו על ידי הגדלת עומק הפגם מ-40 מיקרומטר ל-5 מיקרומטר.על איור.14 מציג שברים לאורך פגמים פני השטח.שבר מתרחש בתנאים של עומק (55 מיקרומטר), רוחב (2 מיקרומטר) ואורך (733 מיקרומטר).העומק הקריטי של פגם פני השטח מחוץ לקפיץ התברר כ-55 מיקרומטר.
תהליך ההזריקה מדכא את צמיחת הסדקים ומגדיל את חיי העייפות על ידי יצירת מתח לחיצה שיורי בעומק מסוים ממשטח הקפיץ;עם זאת, הוא משרה ריכוז מתח על ידי הגדלת חספוס פני השטח של הקפיץ, ובכך מפחית את התנגדות העייפות של הקפיץ.לכן, נעשה שימוש בטכנולוגיית הצפה משנית לייצור קפיצים בעלי חוזק גבוה כדי לפצות על הפחתת חיי העייפות הנגרמת על ידי העלייה בחספוס פני השטח הנגרמת על ידי הצפה.חיטוי ירייה דו-שלבי יכול לשפר את חספוס פני השטח, מתח שיורי דחיסה מרבי, ולחץ שיורי לחיצה על פני השטח מכיוון שההצפה השנייה מבוצעת לאחר ההצצה הראשונה 12,13,14.
על איור.15 מציג מודל אנליטי של תהליך פיצוץ היריות.נוצר דגם אלסטי-פלסטיק בו הוטלו 25 כדורי זריקה לאזור היעד של קו ה-OT לצורך פיצוץ ירי.במודל ניתוח פיצוץ ירי, פגמים משטחים של חוט ה-OT שעוותים במהלך סלילה קרה שימשו כפגמים ראשוניים.הסרת לחצים שיוריים הנובעים מתהליך הגלגול הקרה על ידי טמפרור לפני תהליך הפיצוץ.נעשה שימוש במאפיינים הבאים של כדור הזריקה: צפיפות (ρ): 7800 ק"ג/מ"ק, מודול אלסטי (E) – 210 GPa, יחס פואסון (υ): 0.3.מקדם החיכוך בין הכדור לחומר נקבע ל-0.1.יריות בקוטר של 0.6 ו-0.3 מ"מ נפלטו באותה מהירות של 30 מ"ש במהלך מעבר החישול הראשון והשני.לאחר תהליך פיצוץ היריות (בין שאר תהליכי הייצור המוצגים באיור 13), העומק, הרוחב והאורך של פגמי פני השטח בתוך הקפיץ נעו בין -6.79 ל-0.28 מיקרומטר, -4.24 עד 1.22 מיקרומטר, ו-2.59 ל-1.69 מיקרומטר, בהתאמה מיקרומטר.בשל העיוות הפלסטי של הקליע שנפלט בניצב לפני השטח של החומר, עומק הפגם יורד, בפרט, רוחב הפגם מצטמצם באופן משמעותי.ככל הנראה, הפגם נסגר עקב דפורמציה פלסטית שנגרמה מזריקה.
במהלך תהליך כיווץ החום, ההשפעות של התכווצות קרה וחישול בטמפרטורה נמוכה יכולות לפעול על קפיץ שסתום המנוע בו זמנית.הגדרה קרה ממקסמת את רמת המתח של הקפיץ על ידי דחיסתו לרמתו הגבוהה ביותר האפשרית בטמפרטורת החדר.במקרה זה, אם קפיץ שסתום המנוע נטען מעל חוזק התפוקה של החומר, קפיץ שסתום המנוע מתעוות פלסטית, ומגדיל את חוזק התפוקה.לאחר דפורמציה פלסטית, קפיץ השסתום מתגמש, אך חוזק התפוקה המוגבר מספק את הגמישות של קפיץ השסתום בפעולה בפועל.חישול בטמפרטורה נמוכה משפר את עמידות החום והעיוות של קפיצי שסתומים הפועלים בטמפרטורות גבוהות2.
פגמים פני השטח שעוותים במהלך פיצוץ ירי בניתוח FE ושדה המתח השיורי שנמדד עם ציוד דיפרקציית רנטגן (XRD) יושמו על תת-דגם 2 (איור 8) כדי להסיק את השינוי בפגמים במהלך התכווצות החום.הקפיץ תוכנן לפעול בטווח האלסטי ונדחס מגובהו החופשי של 50.5 מ"מ לגובהו המוצק של 21.8 מ"מ ולאחר מכן הורשה לחזור לגובהו המקורי של 50.5 מ"מ כתנאי ניתוח.במהלך התכווצות החום, הגיאומטריה של הפגם משתנה באופן לא משמעותי.ככל הנראה, מתח הלחיצה השיורי של 800 MPa ומעלה, שנוצר על ידי פיצוץ, מדכא את העיוות של פגמי פני השטח.לאחר התכווצות החום (איור 13), העומק, הרוחב והאורך של פגמי פני השטח השתנו בין -0.13 ל-0.08 מיקרומטר, מ-0.75 ל-0 מיקרומטר ומ-0.01 ל-2.4 מיקרומטר, בהתאמה.
על איור.16 משווה עיוותים של פגמים בצורת U וצורת V באותו עומק (40 מיקרומטר), רוחב (22 מיקרומטר) ואורך (600 מיקרומטר).השינוי ברוחב של פגמים בצורת U וצורת V גדול יותר מהשינוי באורך, הנגרם מסגירה לכיוון הרוחב במהלך תהליך הגלגול וההתפוצצות הקרה.בהשוואה לפגמים בצורת U, פגמים בצורת V נוצרו בעומק גדול יותר יחסית ועם שיפועים תלולים יותר, מה שמצביע על כך שניתן לנקוט בגישה שמרנית בעת יישום פגמים בצורת V.
סעיף זה דן בדפורמציה של הפגם הראשוני בקו ה-OT עבור כל תהליך ייצור קפיצי שסתום.הפגם הראשוני בחוט ה-OT מוחל בחלק הפנימי של קפיץ השסתום שבו צפוי כשל עקב הלחצים הגבוהים במהלך פעולת הקפיץ.פגמי פני השטח הרוחביים בצורת V של חוטי ה-OT גדלו מעט בעומק ובאורך וקטנו בחדות ברוחב עקב כיפוף במהלך סלילה קרה.סגירה לכיוון הרוחב מתרחשת במהלך הצפה עם פגמים מועטים או ללא עיוות מורגש במהלך הגדרת החום הסופית.בתהליך של גלגול קר והזריקת זריקות, נוצר עיוות גדול בכיוון הרוחב עקב עיוות פלסטי.הפגם בצורת V בתוך קפיץ השסתום הופך לפגם בצורת T עקב סגירת רוחב בתהליך הגלגול הקר.