CC BY
36
УДК 621.787:539.319
В. А. Кирпичев
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПРЕДЕЛА ВЫНОСЛИВОСТИ ПОВЕРХНОСТНО УПРОЧНЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ С КОНЦЕНТРАТОРАМИ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ВИДАХДЕФОРМАЦИИ
Показано, что критерий средних интегральных остаточных напряжений можно использовать для прогнозирования предела выносливости упрочненных образцов с концентраторами как при изгибе, так и при кручении.
В настоящем исследовании изучалось влияние сжимающих остаточных напряжений на предел выносливости в случае симметричного цикла при изгибе, растяжении-сжатии и кручении в условиях концентрации напряжений. Эксперименты проводились на образцах диаметром 10 мм из сталей 30ХГСА, 12Х18Н10Т, ЭИ961, 45 и сплавов ЭИ437Б, В93, Д16Т. Механические характеристики используемых материалов приведены в табл. 1.
Таблица 1
Механические характеристики материалов
Материал Сто 2, МПа ств, МПа 8, % V, % , МПа
30ХГСА 536 788 18,9 65,9 1484
12Х18Н10Т 281 646 50,8 65,6 1444
ЭИ961 992 1090 11,3 67,4 2047
Сталь 45 396 610 24,2 51,8 1010
ЭИ437Б 728 972 13,4 15,2 1100
В93 219 334 16,3 20,8 358
Д16Т 426 547 14,8 16,5 647
Гладкие образцы подвергались гидродробеструйной обработке (ГДО) по режиму: давление масла - 0,28 МПа (0,19 МПа - В93, Д16Т), диаметр шариков - 2 мм, время обработки - 8 мин; обкатке роликом (ОР) по режиму: усилие накатывания - 0,5 кН, частота вращения образца - 400 об/мин, подача -0,11 мм/об, диаметр ролика - 60 мм, профильный радиус ролика - 1,6 мм; алмазному выглаживанию (АВ) по режиму: усилие выглаживания - 0,1 кН, частота вращения образца - 160 об/мин, подача - 0,05 мм/об, профильный радиус алмазного наконечника - 2 мм. Круговые надрезы полукруглого профиля радиуса 0,3 мм на упрочненные и неупрочненные образцы наносились безнаклепным способом с использованием электрополирования.
Осевые остаточные напряжения а2 в гладких упрочненных образцах определялись методом снятия части поверхности [1], а также методом колец и полосок [2]. Для этого гладкие образцы предварительно рассверливались и растачивались до толщины стенки 1,5 мм, дополнительные напряжения при этом измерялись по методике [3] с помощью тензорезисторов. Остаточные напряжения сплошных образцов находились как сумма напряжений, вычисленных по результатам исследования колец и полосок, и дополнительных напряжений за счет расточки.
Дополнительные остаточные напряжения, возникающие за счет перераспределения остаточных усилий гладкого упрочненного образца при нанесении надреза, определялись аналитическим методом [4], а также методом конечных элементов с использованием остаточных напряжений гладкого образца. При суммировании дополнительных напряжений с исходными получались остаточные напряжения в образце с надрезом.
Оценка влияния упрочнения на предел выносливости проводилась по критерию среднеинтегральных остаточных напряжений [5]:
(детали); Е, = аДкр - расстояние от дна концентратора до текущего слоя, выраженное в долях ^кр ; ^кр - критическая глубина нераспространяющейся трещины усталости, возникающей при работе детали на пределе выносливости.
Приращение предела выносливости в случае симметричного цикла Ар_1 (Аа_1 - при изгибе, Аа_1р - при растяжении-сжатии, Дт_1 - при кручении) вычислялось по следующей формуле:
где V р - коэффициент влияния остаточных напряжений на предел
выносливости по разрушению.
Эпюры осевых остаточных напряжений аг по толщине поверхностного слоя а в гладких образцах после гидродробеструйной обработки приведены на рис. 1,а, после обкатки роликом и алмазного выглаживания - на рис. 1,б. Определялись и окружные остаточные напряжения Сд, но в статье они не приведены, т.к. в критерий оценки влияния остаточных напряжений на предел выносливости этот компонент напряженного состояния в соответствии с третьей теорией предельных напряженных состояний (теорией наибольших касательных напряжений) не входит. Однако следует отметить, что после гидродробеструйной обработки выполняется условие Сд = аг, а после обкатки роликом и алмазного выглаживания ад меньше аг в 1,8-2,2 раза. Толщина слоя с сжимающими остаточными напряжениями после обкатки роликом примерно в два раза больше по сравнению с обработкой на гидродробеструйной установке.
Эпюры осевых остаточных напряжений аг в наименьшем сечении образцов с надрезом приведены на рис. 2. Можно видеть, что сжимающие остаточные напряжения, имея максимум на поверхности надреза, быстро уменьшаются по толщине поверхностного слоя. Величину напряжений в образце с надрезом определяет не только наибольшая величина остаточных напряжений гладкого образца, но и характер их распределения. Так, например, в гладких образцах из сплава ЭИ437Б после гидродробеструйной обработки (рис. 1,а, эпюра 5) максимальные остаточные напряжения выше, чем в образцах из стали
(1)
где а2 - осевые остаточные напряжения в наименьшем сечении образца
Лр_1 = V р Сост ,
(2)
30ХГСА после обкатки роликом (рис. 1,б, эпюра 1). Однако в надрезанных образцах из стали 30ХГСА максимальные напряжения в два раза выше в силу более полного распределения исходных остаточных напряжений.
200 О -200 | -400 ^ -600
О 0,05 0,10 0,15 0.20 а мм
-1200
7
0- ГХ Лч
V У 5
/
1 у // Г /
У
а)
О -200 | -400 ^ -600
-1200
_
* г * /
/ /. у /
ч 4 у- '<1
7 6
б)
Рис. 1 Остаточные напряжения в гладких образцах после ГДО (а), ОР (б - 1, 2), АВ (б - 3): 1 - 30ХГСА; 2 - 12Х18Н10Т; 3 - ЭИ961; 4 - сталь 45; 5 - ЭИ437Б; 6 - В93; 7 - Д16Т
О
-200
I -600
^ -ЯПП
-1200
-1400
^ , -
2^, у
/ ✓ / / /3 / / /
/ / /
/,
/ /
/
б)
Рис. 2 Остаточные напряжения в образцах с надрезом Я = 0,3 мм после ГДО (а), ОР (б - 1, 2), АВ (б - 3): 1 - 30ХГСА; 2 - 12Х18Н10Т; 3 - ЭИ961;
4 - сталь 45; 5 - ЭИ437Б; 6 - В93; 7 - Д16Т
Следует обратить внимание и на то обстоятельство, что в обкатанных образцах с надрезом действуют значительные сжимающие остаточные напряжения, достигающие для стали 30ХГСА 1300 МПа и существенно превышающие не только предел текучести, но и предел прочности материала. Объясняя это явление, необходимо учесть, что упрочненный поверхностный слой материала имеет механические характеристики, превышающие средние механические характеристики всего образца (детали), т.к. предел текучести поверхностного слоя в результате наклепа может достигать величины истинного сопротивления разрыву Sfr . Кроме того, в работе [3] показано, что при плоском напряженном состоянии остаточные напряжения могут быть выше предела текучести на 15 %. Следовательно, в нашем случае для стали 30ХГСА наибольшие сжимающие остаточные напряжения могут достигать 1700 МПа.
Испытания образцов на усталость при изгибе проводились на машине МУИ-6000, база испытаний: 3 -106 циклов для образцов из сталей и сплава ЭИ437Б, 10-106 циклов - из сплава В93. Значения предела выносливости ст_і, глубины нераспространяющейся трещины усталости ґкр , критерия аост
и коэффициента уа представлены в табл. 2.
Таблица 2
Результаты испытаний на усталость при изгибе и определения остаточных напряжений
Материал Неупрочненные образцы ст_1, МПа Упрочненные образцы
упрочняющая обработка ст_1, МПа ?кр , мм аост, МПа Уа
30ХГСА 180 ОР 400 0,202 -576 0,382
12Х18Н10Т 175 гдо 220 0,207 -126 0,356
ОР 280 0,198 -273 0,384
ж ЭИ961 230 АВ 380 0,160 -422 0,356
ЭИ437Б 215 ГДО 325 0,200 -325 0,338
В93 67,5 ГДО 100 0,203 -96 0,339
Образцы из стали ЭИ961 имели в гладкой части диаметр 7,5 мм.
Из приведенных в табл. 2 данных следует, что для различных материалов и методов поверхностного упрочнения коэффициент равен в среднем
0,359. Обращает на себя внимание небольшое различие значений ^кр для образцов диаметром 10 мм, изготовленных из материалов, существенно отличающихся физико-механическими свойствами и упрочненных различными методами поверхностного пластического деформирования (ППД).
Испытания образцов на усталость при растяжении-сжатии проводились на машине УММ-01 [6], база испытаний такая же, как и в случае изгиба. Значения предела выносливости а_1р , глубины ^кр , критерия аост и коэффициента представлены в табл. 3.
Таблица 3
Результаты испытаний на усталость при растяжении-сжатии и определения остаточных напряжений
Материал Неупрочненные образцы ст_1^, МПа Упрочненные образцы
упрочняющая обработка а_1р, МПа м £ р к аост, МПа Уа
30ХГСА 146 ГДО 198 0,200 -144 0,361
ж ЭИ961 151,3 ГДО 233,4 0,160 -258 0,357
Сталь 45 152,5 ГДО 200 0,206 -134 0,355
Д16Т 78,4 ГДО 105 0,200 -75,3 0,353
Образцы из стали ЭИ961 имели в гладкой части диаметр 7,5 мм.
Из данных табл. 3 видно, что коэффициент для образцов из различных материалов равен в среднем 0,357. Это значение совпадает с величиной в случае изгиба. Глубина «кр так же, как и при изгибе для образцов диаметром 10 мм, составляет в среднем 0,202 мм, что согласуется с установленной в [7] зависимостью
«кр = 0,0216,0, (3)
где В - наименьший размер поперечного сечения детали с концентратором.
В работе [8] изучена связь остаточных напряжений и предела выносливости при кручении в условиях концентрации. Установлено, что при этой деформации в среднем составляет 0,18, т.е. в случае кручения коэффициент влияния сжимающих остаточных напряжений на предел выносливости по критерию аост в два раза меньше, чем при изгибе и растяжении-сжатии. Следует отметить, что при кручении значение «кр также зависит только от диаметра образца и соответствует формуле (3).
Таким образом, используя критерий остаточных напряжений аост, вычисленный по формуле (1), представляется возможным прогнозировать приращение предела выносливости упрочненной ППД детали с концентратором по формуле (2), приняв при изгибе и растяжении-сжатии коэффициент = 0,36 ,
при кручении - = 0,18. При этом значение критической глубины нераспро-
страняющейся трещины усталости «кр можно вычислить по зависимости (3).
Список литературы
1. Иванов, С. И. К определению остаточных напряжений в цилиндре методом снятия части поверхности / С. И. Иванов, И. В. Григорьева // Вопросы прочности элементов авиационных конструкций : труды КуАИ. - Вып. 48. - Куйбышев, 1971. - С. 32-42.
2. Иванов, С. И. К определению остаточных напряжений в цилиндре методом колец и полосок / С. И. Иванов // Остаточные напряжения. - Вып. 53. - Куйбышев : труды КуАИ, 1971. - С. 32-42.
3. Биргер, И. А. Остаточные напряжения / И. А. Биргер. - М. : Машгиз, 1963. - 232 с.
4. Иванов, С. И. Определение дополнительных остаточных напряжений в надрезах на цилиндрических деталях / С. И. Иванов, М. П. Шатунов, В. Ф. Павлов // Вопросы прочности элементов авиационных конструкций : труды КуАИ. -Вып. 60. - Куйбышев, 1972. - С. 160-170.
5. Павлов, В. Ф. Влияние характера распределния остаточных напряжений по толщине поверхностного слоя детали на сопротивление усталости / В. Ф. Павлов // Известия вузов. Машиностроение. - 1987. - № 7. - С. 3-6.
6. Филатов, Э. Я. Универсальный комплекс машин для испытания материалов и конструкций на усталость / Э. Я. Филатов, В. Э. Павловский. - Киев : Наукова Думка, 1985. - 92 с.
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. 22-25.
8. Павлов, В. Ф. Связь остаточных напряжений и предела выносливости при кручении в условиях концентрации напряжений / В. Ф. Павлов, А. А. Прохоров // Проблемы прочности. - 1991. - № 5. - С. 43-46.
