CC BY
70
УДК 621.787: 539.319
В. А. Кирпичев, А. С. Букатый, А. В. Чирков
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ УСТАЛОСТИ ПОВЕРХНОСТНО УПРОЧНЕННЫХ ГЛАДКИХ ДЕТАЛЕЙ1
Аннотация. Изучено влияние пневмодробеструйной обработки на остаточные напряжения, предел выносливости и микротвердость плоских образцов из сплава ЭИ698ВД. Установлено, что предел выносливости коррелирует с критерием среднеинтегральных остаточных напряжений поверхностного слоя упрочненных образцов, а микротвердость - с величиной сжимающих остаточных напряжений упрочненной поверхности.
Ключевые слова: поверхностное упрочнение, гладкие образцы, критерий влияния остаточных напряжений, предел выносливости, микротвердость.
Abstract. The article studies the influence of the shotblasting on residual stresses, limit of endurance and micro-hardness of flat specimens made of ЭИ698ВД alloy. It is established that the limit of endurance correlates with the average residual stresses criterion of the surface layer of hardened specimens; micro-hardness correlates with compressing residual stresses of hardened surface as well.
Key words: surface hardening, flat specimens, residual stresses influence criterion, limit of endurance, micro-hardness.
После поверхностного пластического деформирования в поверхностном слое деталей изменяется структура, возникают наклеп и сжимающие остаточные напряжения. Экспериментально установлено [1], что основную роль в повышении сопротивления усталости поверхностно упрочненных деталей играют сжимающие остаточные напряжения. Для оценки влияния поверхностного упрочнения на предел выносливости таких деталей по остаточным напряжениям применяются два критерия. Первым критерием, используемым в работах [1-4], являются остаточные напряжения на поверхности опасного сечения упрочненной детали. Зависимость для определения предела
выносливости при изгибе с-1 в упрочненной детали в этом случае имеет вид
0-1 =0-1 +Ус-
пов 0 z
(1)
где о-1 - предел выносливости неупрочненной детали; уО - коэффициент
влияния поверхностного упрочнения на предел выносливости; О™в - осевые остаточные напряжения на поверхности опасного сечения детали.
Другие компоненты остаточного напряженного состояния в соответствии с третьей теорией предельных напряженных состояний в зависимости (1) не участвуют, так как радиальные остаточные напряжения на поверхности детали равны нулю, а окружные являются промежуточными главными напряжениями [5].
Критерий Оп°в , учитывающий влияние остаточных напряжений на поверхности упрочненной детали, может быть использован для прогнозирова-
1 Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы» (проект 2.1.1/13944).
ния предела выносливости по трещинообразованию. Однако, как следует из литературных данных и наших исследований, при расчете предела выносливости по разрушению зависимость (1) непригодна из-за значительного рассеяния коэффициента уО, так как в этом случае не учитывается влияние характера распределения сжимающих остаточных напряжений по толщине поверхностного слоя опасного сечения детали.
В работе [6] для оценки влияния сжимающих остаточных напряжений, возникающих при поверхностном упрочнении, на предел выносливости деталей был предложен второй критерий - критерий среднеинтегральных остаточных напряжений Оост в виде
ности опасного сечения до текущего слоя, выраженное в долях ^ -
критическая глубина нераспространяющейся трещины усталости [7, 8].
Критерий Оост учитывает влияние на предел выносливости не только величины, но и характера распределения сжимающих остаточных напряжений по толщине упрочненного поверхностного слоя детали. Используя этот критерий, представляется возможным прогнозировать предел выносливости
при изгибе в случае симметричного цикла детали о_1 за счет поверхностного упрочнения по формуле
где ^О - коэффициент влияния остаточных напряжений на предел выносливости по критерию Оост.
Возможность использования критерия среднеинтегральных остаточных напряжений Оост для прогнозирования предела выносливости поверхностно упрочненных образцов и деталей с концентраторами напряжений изучена в работах [7-9]. В настоящем исследовании предпринята попытка использовать критерий Оост для прогнозирования предела выносливости при изгибе гладких плоских образцов из сплава ЭИ698ВД, упрочненных пневмодробеструй-ной обработкой на различных режимах. В работе исследовалась также микротвердость упрочненных образцов и ее связь с остаточными напряжениями.
Образцы для определения остаточных напряжений (рис. 1) и испытаний на усталость (рис. 2) после шлифования подвергались упрочнению стеклянными и стальными шариками при различном давлении воздуха Р (табл. 1).
Ускоренные испытания на усталость при изгибе в случае симметричного цикла проводились на вибростенде, база испытаний - 2 106 циклов нагружения. Значения предела выносливости о_1 представлены в табл. 1. В упрочненных образцах после испытаний на усталость при напряжениях, равных пределу выносливости, были обнаружены нераспространяющиеся
(2)
где О2 (^) - осевые остаточные напряжения в опасном сечении детали (образца) по толщине поверхностного слоя a ; ^ = a|tкр - расстояние от поверх-
0-1 =0-1 +¥о'Кст| ,
(3)
трещины усталости, средняя глубина которых составляла ^ = 0,065 мм. На
рис. 3 приведена фотография излома упрочненного образца, на которой видна нераспространяющаяся усталостная трещина 1.
103
яю
о
68,5
25
9,5
Рис. 1. Образец для определения остаточных напряжений
Рис. 2. Образец для испытаний на усталость
Таблица 1
Режимы упрочнения, результаты испытаний на усталость и измерения остаточных напряжений
Вариант упрочнения Тип шариков P, МПа , а 7 С О £ _пов Gz , МПа °ост , МПа
1 стеклянные 0,2 395,2 -620 0,100 -529 0,118
2 0,3 395,2 -640 0,097 -595 0,105
3 0,4 411,5 -610 0,129 -637 0,123
4 стальные 0,15 545,4 -440 0,483 -531 0,400
5 0,3 562,6 -280 0,820 -524 0,438
6 0,45 630,2 -260 1,143 -483 0,616
7 0,6 574,8 -220 1,100 -472 0,513
8 исходное состояние - 332,9 - - - -
Рис. 3. Усталостный излом плоского упрочненного дробью образца: 1 - нераспространяющаяся трещина, 2 - зона долома
Осевые остаточные напряжения Gz в образцах по толщине поверхностного слоя a определялись по методике работы [10] и приведены на
рис. 4. В образцах после шлифования (исходное состояние - эпюра 8) действовали растягивающие остаточные напряжения с максимумом 180 МПа на глубине 0,04 мм. При упрочнении стеклянными шариками диаметром 0,2-0,3 мм с увеличением давления воздуха глубина залегания сжимающих остаточных напряжений увеличивается при практически неизменных максимальных значениях, достигающих -670 МПа.
200 100
У / / у V / / / I
/ \ ч
0,04 0,08"">^.0,12^^/ 0,16 X 0.20 / а. мм
АХ / У Л
/ / / /
/ //
/ /5 /в ^ -7
/ /2 / ///
-100 §■ -200 %
ь" -300 -400 -500 -600 -700
Рис. 4. Осевые остаточные напряжения о2 в образцах после упрочнения (1-7) и в исходном состоянии (8) (номера эпюр соответствуют номерам вариантов упрочнения в табл. 1)
При упрочнении стальными шариками диаметром 0,18-0,5 мм толщина поверхностного слоя с сжимающими остаточными напряжениями существенно больше, чем при упрочнении стеклянными шариками. С увеличением давления воздуха глубина залегания остаточных напряжений увеличивается при одновременном уменьшении напряжений к поверхности и смещении максимума от поверхности в глубь образца. В табл. 1 приведены значения
остаточных напряжений о™6 на поверхности упрочненных образцов, а также значения коэффициента уо влияния поверхностного упрочнения по критерию оппов. Можно видеть, что коэффициент уо изменяется для всех вариантов упрочнения образцов в 11 раз, а для случаев упрочнения стальными шариками - в 2,3 раза. Изменение коэффициента уо в таких широких пределах не позволяет использовать критерий апов для прогнозирования предела выносливости поверхностно упрочненных гладких деталей.
По методике работы [6] были вычислены среднеинтегральные остаточные напряжения оост по толщине поверхностного слоя образца, равной кри-
тической глубине ^кр нераспространяющейся трещины усталости. Значения Оост приведены в табл. 1. Здесь же представлены значения коэффициента влияния поверхностного упрочнения уо на предел выносливости по критерию среднеинтегральных остаточных напряжений Оост.
Из данных, приведенных в табл. 1 и на рис. 4, видно, что, несмотря на существенный спад к поверхности сжимающих остаточных напряжений, упрочнение образцов стальными шариками приводит к большему увеличению предела выносливости по сравнению с упрочнением стеклянными шариками. При этом наиболее эффективным из исследованных вариантов упрочнения является вариант № 6.
При упрочнении стальными шариками коэффициент влияния остаточных напряжений уо составляет в среднем 0,492 и практически совпадает со значением уо, вычисленным по формулам работ [11-13] для случая гладкой детали, т.е. без концентратора напряжений. Приняв для случая гладкой детали теоретический ао и эффективный Ко коэффициенты концентрации напряжений равными единице, получим среднее значение коэффициента уо = 0,490. Такое совпадение коэффициента уо объясняется устойчивостью остаточных напряжений в образцах, упрочненных стальными шариками [1]. Коэффициент уо, учитывающий влияние остаточных напряжений о^™ на поверхности образцов, изменяется в значительно больших пределах, чем коэффициент уо .
При упрочнении стеклянными шариками коэффициент ^о составляет в среднем 0,115, что в четыре раза меньше, чем при упрочнении стальными шариками. Значительно меньшее значение ^о объясняется снижением сжимающих остаточных напряжений в упрочненных стеклянными шариками образцах под действием переменных напряжений при испытаниях на усталость, что было установлено в работе [14] на основании измерения микротвердости поверхности усталостных образцов до и после испытаний на усталость. Кроме того, из данных табл. 1 и рис. 4 видно, что на предел выносливости образцов основное влияние оказывает не величина сжимающих остаточных напряжений на поверхности, а полнота распределения остаточных напряжений по толщине поверхностного слоя.
На образцах для определения остаточных напряжений (рис. 1) была измерена микротвердость упрочненной поверхности Нцов, а также микротвердость образцов после удаления стравленного слоя астр . В табл. 2 представлены средние значения микротвердости по 12 отпечаткам в каждом случае. Из данных табл. 2 следует, что толщина стравленного слоя при определении остаточных напряжений во всех случаях превышает глубину смены знака остаточных напряжений. В связи с этим можно предположить, что микротвердость - это микротвердость ненаклепанного материала, составляющая в среднем 5505 МПа.
Следует обратить внимание на то, что микротвердость Н™ъ упрочненной стеклянными шариками поверхности выше по сравнению с микротвердостью поверхности, упрочненной стальными шариками. Из данных
табл. 1 и 2 видно, что величина микротвердости Нц0в следует за значениями
остаточных напряжений на поверхности: чем выше сжимающие остаточные напряжения на поверхности, тем выше микротвердость. Из анализа данных табл. 1 и 2 также видно, что микротвердость поверхности после обработки стеклянными шариками выше, чем после обработки стальными шариками, а предел выносливости, наоборот, выше после обработки стальными, чем стеклянными, шариками. Поэтому микротвердость упрочненной поверхности, в отличие от остаточных напряжений по толщине поверхностного слоя, не может служить объективным критерием оценки влияния упрочнения на предел выносливости детали.
Таблица 2
Результаты измерения микротвердости
Вариант упрочнения Тип шариков р, МПа типов , МПа астр ’ мм нподсл п\1 ’ МПа аОН, мм
1 0,2 6020 0,118 5459 0,100
2 стеклянные 0,3 6038 0,127 5506 0,120
3 0,4 5918 0,169 5375 0,140
4 0,15 5813 0,178 5615 0,150
5 0,3 5802 0,189 5414 0,180
6 стальные 0,45 5768 0,225 5542 0,215
7 0,6 5674 0,234 5578 0,230
8 исходное состояние - 5743 0,118 5550 -
Таким образом, проведенное исследование показало, что критерий среднеинтегральных остаточных напряжений Оост можно использовать и для прогнозирования предела выносливости поверхностно упрочненных гладких деталей, но лишь в том случае, если сжимающие остаточные напряжения не изменяются под действием переменных нагрузок.
Список литературы
1. Иванов, С. И. Влияние остаточных напряжений и наклепа на усталостную прочность / С. И. Иванов, В. Ф. Павлов // Проблемы прочности. - 1976. - № 5. -С. 25-27.
2. Кравченко, Б. А. Обработка и выносливость высокопрочных материалов / Б. А. Кравченко, К. Ф. Митряев. - Куйбышев : Куйбышев. книж. изд-во, 1968. -131 с.
3. Серенсен, С. В. К вопросу об оценке сопротивления усталости поверхностно упрочненных образцов с учетом кинетики остаточной напряженности / С. В. Се-ренсен, С. П. Борисов, Н. А. Бородин // Проблемы прочности. - 1969. - № 2. -С. 3-7.
4. Туровский, М. Л. Концентрация напряжений в поверхностном слое цементированной стали / М. Л. Туровский, Н. М. Шифрин // Вестник машиностроения. -1970. - № 11. - С. 37-40.
5. Иванов, С. И. Влияние остаточных напряжений на выносливость ненаклепан-ного материала / С. И. Иванов, В. Ф. Павлов // Вопросы прикладной механики в авиационной технике. - Куйбышев : КуАИ, 1973. - Вып. 66. - С. 70-73.
6. Павлов, В. Ф. О связи остаточных напряжений и предела выносливости при изгибе в условиях концентрации напряжений / В. Ф. Павлов // Известия вузов. Машиностроение. - 1986. - № 8. - С. 29-32.
7. Павлов, В. Ф. Влияние на предел выносливости величины и распределения остаточных напряжений в поверхностном слое детали с концентратором. Сообщение I. Сплошные детали / В. Ф. Павлов // Известия вузов. Машиностроение. -1988. - № 8. - С. 22-26.
8. Павлов, В. Ф. Влияние на предел выносливости величины и распределения остаточных напряжений в поверхностном слое детали с концентратором. Сообщение II. Полые детали / В. Ф. Павлов // Известия вузов. Машиностроение. -1988. - № 12. - С. 37-40.
9. Павлов, В. Ф. Остаточные напряжения и сопротивление усталости упрочненных деталей с концентраторами напряжений / В. Ф. Павлов, В. А. Кирпичев, В. Б. Иванов - Самара : Изд-во СНЦ РАН, 2008. - 64 с.
10. Биргер, И. А. Остаточные напряжения / И. А. Биргер. - М. : Машгиз, 1963. -232 с.
11. Кирпичев, В. А. Сопротивление усталости упрочненных деталей при различной степени концентрации напряжений / В. А. Кирпичев, А. П. Филатов, Ю. Н. Сургутанова, В. Б. Иванов // Математическое моделирование и краевые задачи : тр. Шестой Всерос. науч. конф. с международным участием. - Ч. 1. Математические модели механики, прочности и надежности элементов конструкций. -Самара : Изд-во СамГТУ, 2009. - С. 126-131.
12. Кирпичев, В. А. Влияние остаточных напряжений на предел выносливости детали при различной степени концентрации / В. А. Кирпичев, А. П. Филатов, О. В. Каранаева, Д. В. Иванов // Проблемы и перспективы развития двигателе-строения : материалы докладов МНТК 24-26 июня 2009 г. - Ч. 2. - Самара : СГАУ, 2009. - С. 178-179.
13. Кирпичев, В. А. Прогнозирование предела выносливости поверхностно упрочненных деталей при различной степени концентрации напряжений / В. А. Кирпичев, А. С. Букатый, А. П. Филатов, А. В. Чирков // Вестник УГАТУ. -2011. - Т. 15, № 4 (44). - С. 81-85.
14. Радченко, В. П. Влияние поверхностного упрочнения и усталостных испытаний на металлофизические характеристики плоских образцов из сплава ЭИ698ВД / В. П. Радченко, А. П. Морозов // Математическое моделирование и краевые задачи : тр. Седьмой Всерос. науч. конф. с международным участием. Ч. 1. Математические модели механики, прочности и надежности элементов конструкций. - Самара : Изд-во СамГТУ, 2010. - С. 287-294.
Кирпичев Виктор Алексеевич доктор технических наук, профессор, кафедра сопротивления материалов, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королева
E-mail: sopromat@ssau.ru
Букатый Алексей Станиславович
кандидат технических наук, старший преподаватель, кафедра технологии машиностроения, Ярославский государственный технический университет
E-mail: bukaty@inbox.ru
Kirpichyov Viktor Alekseevich Doctor of engineering sciences, professor, sub-department of strength of materials, Samara State Aerospace University named after S. P. Korolyov
Bukaty Aleksey Stanislavovich Candidate of engineering sciences, senior lecturer, sub-department of machine building technology, Yaroslavl State Technical University
Чирков Алексей Викторович
кандидат технических наук, ассистент, кафедра сопротивления материалов, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королева
E-mail: sopromat@ssau.ru
УДК 62і.787: 539.3і9 Кирпичев, В. А.
Прогнозирование сопротивления усталости поверхностно упрочненных гладких деталей I В. А. Кирпичев, А. С. Букатый, А. В. Чирков II Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 20і2. - № 3 (23). - С. і02-і09.
Chirkov Aleksey Viktorovich
Candidate of engineering sciences, assistant, sub-departmet of strength of materials, Samara State Aerospace University named after S. P. Korolyov
