CC BY
47На эту проблему одним из первых обратил внимание профессор Б, А. Кравченко [2,3]. Он однозначно заявил, что деформационное упрочнение (наклеп) тип деталей работающих в условиях повышенных температур и знакопеременных нагрузок, вреден. Дальнейшие исследования, проводимые Б. А. Кравченко и его учениками, подтвердили эти предположения [4,5].
Обычно при упрочнении методами ППД наблюдается повышение ст./ примерно на 30-30% (рис.2). Попытка провести исследования по раздельному влиянию остаточных напряжений и деформационному упрочнению на усталостную прочность вызывает определенные трудности.
Они связаны с тем, что необходимые пластические деформации в поверхностном слое создать можно без наведения остаточных напряжений (равномерное поле деформации), а остаточные напряжения невозможно навести без пластических деформаций. Однако процесс термопластического упрочнения позволяет при минимальных деформациях создавать в поверхностном слое достаточно большие остаточные напряжения. Поэтому действие фактора деформационного упрочнения в случае ТПУ при исследовании влияния остаточных напряжений на предел выносливости можно практически принимать в пределах погрешности измерений. Однако, если бы удалось ликвидировать или снизить вредное влияние деформационного упрочнения, то положительный эффект остаточных напряжений можно было бы увеличить в ряде случаев почти вдвое (рис.2).
Методы ППД используются и для упрочнения деталей, эксплуатируемых в агрегатах при работе в условиях повышенных температур. Однако, особенно в последнее время, накопилось достаточно много опытного материала, из данных которых вытекает, что к применению методов ППД для упрочнения деталей, работающих при высоких температурах, необходимо относиться с известной осторожностью. Дело в том, что наведенное напряженное состояние при высоких температурах становится нестабильным (рис. 3).
Для углеродистых и легированных сталей даже относительно невысокие температуры содействуют значительной релаксации наклепа и остаточных напряжений. Процессы релаксации особое значение приобретают для жаропрочных сплавов, которые широко используются в энергомашиностроении и газотурбинных двигателях.
Глубина слоя Да, мкм
Р и с, 3. Влияние наработки на уровень макси- Р и с. 4. Остаточные напряжения в поверхностном мальных остаточных напряжений слое деталей (сплав ЭИ893):
(материал ЭИ 893): 1 - после ТПУ; 2 - после ультразвукового упрочнения
1 - термопластическое упрочнение; 2 - ультразвуковое упрочнение
Альтернативой для методов ППД является метод термопластическокого упрочнения (ТПУ). Термопластическое упрочнение позволяет при относительно небольших пластических деформациях создать в поверхностном слое детали более мощную эпюру сжимающих остаточных напряжений без спада у поверхности большой глубиной залегания.
Следует заметить, что остаточные напряжения после УЗУ и ТПУ достигают примерно одинакового уровня (То=560...600 МПа [рис. 4]. Однако характер эпюр остаточных напряжений по глубине имеет и отличия. Если при УЗУ максимум располагается на глубине Ла^ 50 мкм, то при ТПУ последний локализуется у поверхности. С точки зрения усталости расположение максимума остаточных напряжений имеет определенное значение.
Известна зависимость между пределом выносливости и наведенными остаточными напряжениями в поверхностном слое [6].
о.1 — о./ цсг - С'О0СЯ| где о.! - предел выносливости с учетом остаточных напряжений;
0.1 - предел выносливости деталей при нулевых остаточных напряжениях условий
обработки и характеристики материалов;
С - коэффициент, учитывающий влияние остаточных напряжений;
Орст - максимальные остаточные напряжения.
Коэффициент С, зависящий от материала детали и различных технологический факторов, в том числе и метода упрочнения, как видно из рис. 2, различен для термопластического и ультразвукового упрочнения.
В процессе эксплуатации происходит релаксация остаточных напряжений в поверхностном слое в результате воздействия высокой температуры и знакопеременных нагрузок. На рис. 3 видно, что остаточные напряжения после УЗУ резко релаксиругот в начальный период наработки. Остаточные напряжения после ТПУ сохраняются на довольно высоком уровне длительное время. При этом изменяется предел выносливости упрочненных лопаток [рис. 5].
Наработка т, час
Р и с. 5. Влияние наработки на усталостную прочность:
1 - термопластическое упрочнение; 2 - ультразвуковое упрочнение
Р и с. 6, Схема влияния остаточных напряжений на плотность дислокаций при ТПУ:
1 - условная кривая плотности дислокаций; 2 - эпюра остаточных напряжений
Усталостная прочность деталей упрочненных УЗУ в процессе эксплуатации постоянно снижается, а упрочненных методом ТПУ в начале незначительно снижается, а затем даже повышается (рис. 5). Это можно объяснить следующим.
Увеличение микроискажений с максимумом под поверхностью на некоторой глубине создает своего рода барьер движению дислокаций к поверхности детали под влиянием нагрузки в процессе наработки (эксплуатации). Увеличение плотности дислокаций и их переплетение (неподвижности) под поверхностью связаны с торможением движения дислокаций остаточным напряженным полем сжатия. Таким образом, накапливаясь в подповерхностном слое, дислокации блокируют друг друга, препятствуя выходу на поверхность дислокационных нарушений, которые являются, как правило, очагами начальных трещин (рис. 6).
Особо следует отметить, что указанный барьер будет выполнять свои функции и после того, как остаточные напряжения под действием температурно-силового фактора релаксиру-ют. В этом проявляется второй, не менее важный, положительный эффект ТПУ.
Результаты исследований были реализованы на предприятиях авиационной промышленности и газоперекачивающей отрасли, в системе ОАО «Газпром», в частности на Моторостроительном заводе им. Фрунзе, Авиационном ремонтном заводе 153 (г. Ст. Русса), ОАО «Самаратрансгаз».
На способ термопластического упрочнения и установки для его реализации были получены патенты [6 - 8].
Достоверность полученных научно-практических результатов были неоднократно подтверждены независимыми экспертами, в том числе экспертами - экономистами: Самарским научно-инженерного Центром автоматизированных прочностных испытаний и диагностики машин, АОЗТ "НЕВЭНЕРГОМАШ" (г. Санкт-Петербург), Самарским конструкторским бюро машиностроения, научно - исследовательским институтом «Газэкономика» (г. Москва).
Выводы
1. Большие степени деформации, которыми сопровождаются методы поверхностного пластического деформирования, негативно влияют на усталостную прочность деталей, работающих в условиях повышенных температур и знакопеременных нагрузок.
2. Эпюры остаточных напряжений при одинаковых максимальных величинах после ТГТУ являются более благоприятными по сравнению с ППД как по глубине залегания, так и по форме (отсутствует спад у поверхности).
3. Имеет место более устойчивый эффект упрочнения методом ТПУ по сравнению с методами ППД для деталей, работающих при повышенных температурах.
4. Метод ТПУ может быть рекомендован взамен методов ППД с целью повышения усталостной прочности и долговечности для ответственных деталей, работающих в экстремальных условиях (повышенных температур и предельных знакопеременных нагрузок).
БИБЛИОГРФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Кудрявцев И.8. Внутренние напряжения как резерв прочности в машиностроении. М.: Маштиз. 1951. 278 с.
2. Кравченко Б.А. Теория формирования поверхностного слоя деталей машин при механической обработке. Куйбышев, 1984. 90 с.
3. Кравченко Б.А. Упрочнение деталей, работающих при высоких температурах. Газовые турбины // Мат. меж-дунар. сем. Казань, 1990. С.128-136.
4. «Термопластическое упрочнение - резерв повышения прочности и надежности деталей машин»; Монография / Б.А. Кравченко, В.Г. Круцило, Г,Н, Гутман. Самара. СамГТУ, 2000. 216 с.
5. Кравченко Б.А,, Круцило В,Г, Влияние напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя на долговечность деталей газотурбинных двигателей // Вестн. Самара, гос. техн. ун-та. 1998.
6. Патент №2171857 от 10 августа 2001г. Кравченко Б.А., Круцило В.Г. и др. «Способ восстановления циклической прочности деталей газотурбинных двигателей из жаропрочных сплавов на основе никеля»,
7. Патент №2170272 от 10 июля 2001 г, Кравченко Б,А., Круцило В,Г, и др. «Установка для термопластического упрочнения лопаток».
8. Патент № 2258086 от 10 августа 2005 г. Круцило В.Г. «Способ термопластического упрочнения деталей установка для его осуществления».
Статья поступила в редакцию 28 мая 2006 г.
УДК 621.757(031)
А.Н. Рогожников
МЕТОД АНАЛИЗА И СИНТЕЗА ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ РАЗМЕРНЫХ ЦЕПЕЙ УПОРЯДОЧЕННОЙ СБОРКИ СЕПАРАТОРОВ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ПОДШИПНИКОВ
Разработана технология упорядоченной сборки под сварку сепараторов с оптимизацией размерных связей резьбовых соединений по предлагаемой методике.
Проведенный анализ статистических данных видов дефектов и причин отказов крупногабаритных подшипников применяемых в прокатном производстве (рис. I), позволил установить факт нестабильности параметра ресурса. Математическое ожидание: X = 664 час., среднеквадратическое отклонение: а = 26 час,, поле рассеивания о = 156 час.
Влияние степени случайной составляющей Асл = /(а) времени работоспособности подшипников определялось вероятностным методом по результатам обработки данных ресурсов различных типов подшипников. Переменным параметром, влияющим на работоспособность является угол разворота а, оси распорки от оси отверстия малой сепараторной шайбы.
Одной из наиболее вероятных причин отрыва распорки в месте сварного соединения с малой сепараторной шайбой является несовпадение осей симметрии большой и малой сепараторных шайб. Невыполнение этого условия приводит к снижению прочности сварного соединения. Перекос осей распорок относительно осей отверстий в малой шайбе не гарантирует провар, оставляя пустоты (поз.1) распорки (рис. 2) и малой сепараторной шайбы.
