CC BY
28
УДК 621.892
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕЛИЧИН ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ПО ЗНАЧЕНИЮ ОСТАТОЧНОГО ПРОГИБА ОБРАЗЦА, ПОДВЕРГНУТОГО ТЕРМОПЛАСТИЧЕСКОМУ УПРОЧНЕНИЮ
© 2018 В.Г. Круцило, Н.И. Дедов, М.В. Якимов
Самарский государственный технический университет
Статья поступила в редакцию 25.06.2018
В статье приведены методики определения остаточных напряжений: расчетная, экспериментальная методом травления и с использованием образцов-свидетелей.
Ключевые слова: остаточные напряжения, термопластическое упрочнение, образцы-свидетели, прогибы образцов.
Представленные в статье материалы получены в рамках выполнения гранта РФФИ№17-48-630694 «Разработка физической модели механизма термопластического упрочнения материалов, работающих в условиях высоких температур и знакопеременных нагрузок».
ВВЕДЕНИЕ
Термопластическое упрочнение (ТПУ) используется при изготовлении ответственных деталей, работающих при повышенных температурах и знакопеременных нагрузках, типа лопаток и дисков турбин газотурбинных двигателей (ГТД). За счет формирования в поверхностном слое благоприятных сжимающих остаточных напряжений с большой их глубиной залегания при минимальных пластических деформациях повышается надежность и долговечность упрочненных деталей. Подробно процесс ТПУ описан в работе [1]. Схематично технология ТПУ представлена на рис. 1.
Для реализации технологии ТПУ были разработаны установки и способы упрочнения, которые защищены патентами [2-7]. Различные аспекты технологии ТПУ описаны в работах [11-15].
ОБСУЖДЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ
Критерием качества упрочнения является соответствие параметров эпюры остаточных напряжений указанным в технических условиях. В первую очередь максимальные по абсолютной величине сжимающие остаточные напряжения <7„„„т.,„ и глубина активной части эпюры й„. Эти
ост гооХ » А н
параметры можно определить различными методами:
- расчетным;
- экспериментальным;
Круцило Виталий Григорьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Автоматизированные станочные и инструментальные системы». Дедов Николай Иванович, кандидат технических наук, профессор. E-mail: mech_kaf@samgtu.ru Якимов Михаил Владимирович, ассистент.
- с использованием образцов-свидетелей.
Расчетный метод подробно изложен в работе [8]. Он основан на технологических параметрах процесса ТПУ: температуре нагрева 0, времени выдержки при этой температуре т и давлении охлаждающей жидкости р .
Кроме технологических параметров не менее важными являются химический состав, физико-механические и теплофизические свойства материала упрочняемой детали. Все теоретические и экспериментальные исследования были проведены на деталях и образцах из сплава ЭИ893. Свойства этого сплава приведены в таблицах 1-3.
Из таблиц видно, что физико-механические свойства значительно зависят от температуры нагрева, что необходимо учитывать в расчетах.
На рис. 2 приведены эпюры остаточных напряжений, рассчитанные при различных, приближенных к реальным, условиях. Основные параметры выбирались:
- постоянными при T=20 °С;
- средние в интервале температур Т=20 ^ 700 °С;
- с учетом влияния температуры.
На рис. 2 нанесена также эпюра остаточных напряжений, полученных опытным путем [8].
Сопоставление позволяет сделать заключение, что наилучшее приближение к опытной эпюре остаточных напряжений наблюдается в том случае, если при расчетах учитывается влияние температуры на физико-технологические параметры.
Экспериментальные исследования проводились по методике Давиденкова Н.Н. [9] с уточнениями Биргера И. А. [10]. Образцы для исследований вырезались из натурных лопаток (рис. 3) и плит определенной толщины.
Рис. 1. Блок-схема технологического процесса термопластического упрочнения детали
Таблица 1. Марочный химический состав, %
C Si Mn Cr N1 W Mo Ti Al B Ce S P
не более по расчету не более
0,08 0,5 0,5 1517 Основная 8-10 4-5 1,21,6 1,21,6 0,010 0,025 - -
Таблица 2. Нормы механических свойств при 20 0С сортового материала
Обработка Температура испытания, °С ^0,2 Ö ¥ ан, кгс ■ м 2 СМ
кгс / мм2 %
не менее
1180 0C, 2 ч, воздух; 20 90 60 15 20 7
800 0C, 12 ч, воздух 750 55 - 8 12 -
Определение остаточных напряжений методом травления имеет свои особенности, которые описаны ниже.
Установка для определения прогибов состоит из корпуса 1, на котором смонтированы все основные узлы приспособления (рис. 4).
Узел 2 для крепления исследуемого образца 3, имеющий способность перемещаться по направляющим корпуса 1 в зависимости от длины образца, узел 4 для крепления балочки 5, позволяющий задавать начальный прогиб балочки (/=1,0 мм), необходимый для постоянного контакта ее с образцом. Балочка представляет собой упругую стальную пластинку толщиной 0,3 мм, с обеих сторон которой прикреплены тен-
зодатчики, являющиеся активным сопротивлением, меняющимся в процессе деформации ба-лочки (образца). Она выполняет роль одного из двух плеч мостовой схемы сопротивлений (Т1, Т4) (Рис. 3.2), другим плечом которой (Т2, Т3) является система сопротивлений регистрирующего прибора (например, КСП-4, ЭПП-09М). Таким образом, датчик-мост состоит из четырех тен-зодатчиков Т1-Т4, потенциометра Я, служащего для балансировки моста, и блока питания Б.
Этот метод достаточно широко апробирован и его достоверность не вызывает сомнений. Однако он имеет существенные недостатки: разрушение изделия, трудоемкость процесса, опасность из-за использования сильнодействующих кислот.
Таблица 3. Физические свойства сплава
Удельный вес, г!см 8,794
Модуль упругости Е-Ю-4, кгс/ммг 20 0С 750 0С 800 °С
2,23 1,74 1,65
Коэффициент линейного расширения Ю 20 - 100 °С 20 - 750 °С
11,3 14,4
Теплопроводность, кал / см - сек - град 20 °С 200 °С 300 0С 400 °С 500 0С 600 0С 700 0С 800 °С
0,030 0,031 0,033 0,037 0,041 0,048 0,056 0,065
Электропроводность •104, ом~х -см~х 200 0С 300 °С 400 °С 500 °С 600 °С 700 °С 800 0С
0,716 0,711 0,705 0,700 0,700 0,707 0,718
600
400
200
-200
I -100
-600
4 -)- 1
/ - 3
\
0,5 1
Глубина слоя Ла, мм
1,5
Рис. 2. Остаточные напряжения после ТПУ (материал ЭИ893; Тупр=700 оС): 1 - расчет; Я = Я (Т); С=С(Т); 2 - расчет; Я = Я 200С; С=С20оС; 3 - расчет; Я = Я 0; С=С ; 4 - эксперимент
Рис. 3. Разметка профильной части лопатки
Метод с использование образцов-свидете лей позволяет для исследований остаточных напряжений не разрушать упрочняемые натурные детали. Так как эпюры остаточных напряжений при термопластическом упрочнении весьма ти-
Рис. 4. Схема установки для определения остаточных напряжений на призматических образцах
Рис. 5. Схема технологического процесса упрочнения образцов-свидетелей
пичны [11], то параметры этих эпюр можно рассчитать по прогибу образцов-свидетелей после упрочнения.
На рис. 5 показана схема использования образцов-свидетелей при термопластическом упрочнении.
На рис. 6 приведена эпюры распределения остаточных напряжений экспериментально полученные методом Н. Н. Давиденкова и аппроксимированные двумя вариантами. Остаточные напряжения по толщине образца самоуравновешенные.
Значения экспериментальных величин, используемых при проверке корректности методики приведены в таблице 4.
Ниже приводится методика расчета эпюры остаточных напряжений по прогибам образцов-свидетелей при различных аппроксимациях эпюр. Для проверки данной методики используются конкретные данные экспериментов.
Изгибающий момент в поперечном сечении образца соответствующий остаточным напряжениям определяется интегральным выражением, которое в данном случае разбивается на два интеграла
67,
тах
М = Ь\vyydy + Ь | оуйу ,
0 0
где ау - функция напряжения на участке упрочнения, а - функция напряжения на упругом участке.
Рассмотрим прямоугольную и треугольную формы аппроксимации экспериментально построенного профиля остаточных напряжений в упрочненном слое.
Из условия самоуравновешенности напряжений определим наибольшие остаточные напряжения по формулам:
2пН 2 • 600 • 2
_ тах _
И - к
2 - 0.6
- = 514.2 %МПа
для прямоугольного профиля,
отахК 600 • 0.6
_ тах у _
ртах = к - К '
2 - 0.6
= 257.14МПа
для треугольного профиля.
Самоуравновешенной системе остаточных напряжений соответствует напряженное состояние чистого изгиба. Изгибающие моменты в
О,
тах
О,
тах
в)
-У
СЗ / у
1 £ 1
—
/©-
1——
Г
1 тах
р тах
®р тах
а)
б)
в)
Рис. 6. Эпюры остаточных напряжений по толщине образца после ТПУ: а) экспериментальный профиль, б) прямоугольный профиль, в) треугольный профиль
Таблица 4. Значения экспериментальных величин
Наименование величины Значение
Температура нагрева в, °С 720
Время выдержки Т , мин. 10
Давление охлаждающей жидкости р , МПа 0,5
Максимальные остаточные сжимающие напряжения <тах, МПа 600
Максимальные остаточные растягивающие напряжения <гр тах, МПа (для прямоугольного профиля) 514,28
Максимальные остаточные растягивающие напряжения <р тах, МПа (для треугольного профиля) 257,14
Толщина образца Н, мм 2
Толщина упрочненного слоя Ну, мм 0.6
Ширина образца Ь, мм 10
Длина образца 1, мм 100
Модуль упругости материала Е, МПа 2 - 105
сечении образца определяем по формулам: М = \атахЬНу (АН - Ну ) =
= -600-10 • 0.6 (4 • 2 - 0.6) = 4440Нмм
для прямоугольного профиля,
М = - <7тЬкк = - 600 -10 - 2 - 0.6 = 2400Нмм
^ тиХ у ^
для треугольного профиля.
Образцы, обработанные по методу термопластического упрочнения, имеют выпуклость со стороны обработанной поверхности.
Для определения остаточного прогиба образца после термопластического упрочнения примем балочную схему с учетом симметрии рис. 7. Для моделирования чистого изгиба консольную балку нагружаем изгибающим моментом, соответствующим остаточным напряжениям.
Прогиб свободного конца консольной балки определяем по формуле:
У =
М12
4.44- 0.052
EJz 2-1011 - 9.867-10-
■ = 2.81-10 м
для прямоугольного профиля, М2 2.4-0.052
У =
ЕЗ^ 2-1011 - 9.867-10-
= 1.52-10-3
м
для треугольного профиля.
Для определения осевого момента инерции поперечного сечения образца нейтральную линию при изгибе принимаем совпадающей границей термопластического упрочнения (рис. 2).
Осевой момент инерции определяем по формуле
Л =
Ъкъ 12
+ а 2ЪН =
10 - 2 12
+ 0.42 -10 - 2 = 9.867мм4
Рис. 7. Расчетная схема образца для определения прогиба и его поперечное сечение
где а=0.4мм - смещение нейтральной оси сечения относительно оси симметрии.
ВЫВОДЫ
Анализ результатов расчетов по данной методике показывает преимущество аппроксимации по варианту б (рис. 6). Погрешность данных, полученных при использовании данного метода, по сравнению с экспериментальными атах и < не превышает 10 %.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
2.
Кравченко Б.А., Круцило В.Г., Гутман Г.Н. Термопластическое упрочнение - резерв повышения прочности и надежности деталей машин: Монография / Самара: СамГТУ, 2000. 216 с. Патент РФ №2171857, 13.11.2000 Способ восстановления циклической прочности деталей газотурбинных двигателей из жаропрочных сплавов на основе никеля // Патент России № 2171857, 2000 / Кравченко Б.А., Россеев Н.И., Забродин Ю.В.,
Круцило В.Г., Медведев С.Д., Монахов А.В.
3. Патент РФ №2170272, 26.06.2000 Установка для термопластического упрочнения лопаток // Патент России №2170272, 2000 / Кравченко Б.А., Круцило В.Г., Медведев С.Д., Монахов А.В. Россеев Н.И.
4. Патент РФ №2351660, 26.02.2006 Способ термопластического упрочнения деталей и установка для его осуществления // Патент России №2351660, 2006 / Круцило В.Г.
5. Патент РФ №2331674, 10.08.2006 Способ термопластического упрочнения сварных соединений // Патент России №2331674, 2006 / Круцило В.Г.
6. Патент РФ №2258086, 17.12.2003 Способ термопластического упрочнения деталей и установка для его осуществления // Патент России №2258086, 2003 / Круцило В.Г.
7. Патент РФ №2249878, 07.09.2009 Способ обработки деталей // Патент России №2249878, 2009 / Круцило В.Г.
8. Круцило В.Г., Ситкина Л.П., Разумова И.Н. Исследование остаточных напряжений при термопластическом упрочнении // Высокие технологии в машиностроении: материалы XVI Всероссийской научно-технической конференции, Самара: СамГТУ, 2017. С. 99-102.
9. Давиденков Н.Н. Измерение остаточных напряжений в трубах // Журн. техн. физики. 1931. Т. 1. Вып. 1.
10. Биргер И.А. Остаточные напряжения. М.: Машгиз, 1963. 232.
11. Круцило В.Г. Кротинов Н.Б., Карпов А.В. Формирование устойчивого напряженно-деформированного состояния поверхностной упрочняющей обработкой и прогнозирование процесса его изменения // Упрочнение, технологии и покрытия. М.: Машиностроение, 2007. № 8, С. 27-32
12. Круцило В.Г. Термопластическое упрочнение крупногабаритных деталей // Материалы международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателе-строения», Самара, 2001, С. 167-168.
13. Круцило В.Г. Связь износа и повреждения лопаток турбин газоперекачивающих агрегатов с усталостной прочностью // Известия Самарского научного центра РАН. 2011. Т.13. № 4(3). С. 10831084.
14. Круцило В.Г. Проектирование новой конструкции камеры охлаждения для установки термопластического упрочнения и экспериментальные сравнения эффективности упрочнения образцов из сплава ХН77ТЮР в кольцевом спреере и в новой конструкции камеры охлаждения // Упрочняющие технологии покрытия, 2011. №5. С. 44-47.
15. Кравченко И.Б., Курицын В.Н. Исследование влияния температурно-временного фактора на релаксацию остаточных напряжений деталей из жаропрочных сплавов, обработанных ППД микрошариками и термопластическим упрочнением (ТПУ) // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2011. Т.13. № 6. С. 194-198.
DETERMINE THE MAGNITUDE OF RESIDUAL STRESSES VALUE OF THE RESIDUAL TROUGH SAMPLES SUBJECTED TO THERMOPLASTIC HARDENING
© 2018 V.G. Krucilo, N.I. Dedov, M.V. Yakimov
Samara State Technical University
In the article the methods of determination of residual stresses are given: calculated, experimental, etching and using specimen-witnesses.
Keywords: residual stresses, thermoplastic hardening, specimen-witnesses, deflections of samples.
Vitalij Krutsilo, Candidate of Technics, Associate Professor at the Automated Machining and Tool Systems Department. Nikolay Dedov, Candidate of Technics, Associate Professor. E-mail: mech_kaf@samgtu.ru Mikhail Yakimov, Assistant Lecturer.
