Влияние азотирования на остаточные напряжения и предел выносливости образцов с надрезами из стали 38Х2МЮА

Вакулюк Владимир Степанович; Чирков Алексей Викторович; Букатый Алексей Станиславович; Филиппов Александр Александрович

УДК 621.787:539.319

ВЛИЯНИЕ АЗОТИРОВАНИЯ НА ОСТАТОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ И ПРЕДЕЛ ВЫНОСЛИВОСТИ ОБРАЗЦОВ С НАДРЕЗАМИ ИЗ СТАЛИ 38Х2МЮА

1Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет) 2Ярославский государственный технический университет

Исследованы остаточные напряжения после азотирования в образцах с надрезом из стали 38Х2МЮА. Установлено, что для прогнозирования приращения предела выносливости при изгибе таких образцов представляется возможным использовать критерий среднеинтегральных остаточных напряжений.

Образцы с надрезом, сталь 38Х2МЮА, азотирование, предел выносливости, остаточные напряжения.

Для изучения влияния азотирования на остаточные напряжения и предел выносливости деталей из стали 38Х2МЮА (а02 = 810 МПа, ав = 1000 МПа, 8 = 16,2 %,

/ = 58,3 %, Sk = 1790 МПа) были проведены эксперименты на гладких образцах диаметром 5 мм и на образцах с глубокими надрезами V-образного профиля (рис. 1) двух радиусов R = 0,5 мм и R = 2,5 мм. Диаметр образцов с надрезом в наименьшем сечении составлял d = 5 мм.

Я

Рис. 1. Образец из стали 38Х2МЮА с надрезом радиуса R

При определении остаточных

напряжений в надрезанных образцах с целью повышения точности использовались образцы с пятью идентичными надрезами, отстоящими друг от друга на расстоянии 10 мм. Шаг концентраторов был выбран из условия отсутствия их взаимного влияния в соответствии с принципом Сен-Венана.

Азотирование образцов осуществлялось в печи шахтного типа при температуре 550°С. Насыщение азотом поверхностного слоя проводилось в среде аммиака по всей поверхности образцов. Для получения азотированного слоя различной толщины одна половина образцов подвергалась азотированию в течение 6 часов (А1), другая - 8 часов (А2).

Определение осевых а 2 остаточных напряжений проводилось методом у даления части поверхности на гладких цилиндрических образцах [1] и меридиональных (осевых аг - в

наименьшем сечении) на образцах с надрезами [2]. При определении меридиональных остаточных

напряжений удалялась половина поверхности в пределах криволинейной части впадины надрезов (рис. 1).

Распределение остаточных

напряжений по толщине поверхностного слоя а приведено на рис. 2. Обращает на себя внимание то обстоятельство, что в азотированных образцах с надрезом R =

0,5 мм действуют значительные сжимающие остаточные напряжения, существенно превышающие не только предел текучести ( а02 = 810 МПа), но и предел прочности стали 38Х2МЮА ( ав = 1000 МПа). Объясняя это явление, следует иметь в виду, что азотированный поверхностный слой материала имеет механические характеристики,

превышающие средние механические характеристики всего образца, так как предел текучести упрочнённого поверхностного слоя может достигать величины истинного сопротивления разрыву Sk (Sk = 1790 МПа). Кроме того, в

работах [3, 4] было показано, что при плоском напряжённом состоянии остаточные напряжения могут быть выше

предела текучести на 15%. Поэтому напряжений после азотирования образцов

полученные в эксперименте величины не превышают допустимых для стали

наибольших сжимающих остаточных 38Х2МЮА значений.

О 0,06 0,12 0,18 0,24 а, мм

а)

б)

Рис. 2. Распределение остаточных напряжений в гладких образцах (1), образцах с надрезами R = 2,5 мм (2) и

R = 0,5 мм (3) из стали 38Х2МЮА после азотирования: а - выдержка 6 часов (А1), б - выдержка 8 часов (А2)

В гладких образцах максимальная величина сжимающих остаточных

напряжений на поверхности составляет -600 МПа, а глубина залегания - а = 0,30 мм (А1) и а = 0,34 мм (А2). На глубине а = 0,15-0,16 мм наблюдается

подповерхностный максимум сжимающих остаточных напряжений.

В образцах с V-образным надрезом радиуса R = 2,5 мм наибольшие сжимающие остаточные напряжения действуют на поверхности надреза, незначительно

превышая значения напряжений гладких образцов, что является следствием небольшой концентрации напряжений при R = 2,5 мм. Начиная с глубины а = 0,18 мм различия в распределении остаточных напряжений гладких образцов и образцов с надрезом радиуса R = 2,5 мм практически нет.

В образцах с V-образным надрезом радиуса R = 0,5 мм наибольшие сжимающие остаточные напряжения значительно выше, чем в гладких образцах и в образцах с надрезом радиуса R = 2,5 мм, достигая величины -990 МПа (А1) и -1310 МПа (А2), что обусловлено значительно большей концентрацией напряжений при R = 0,5 мм, чем при R = 2,5 мм. Отличается и характер распределения остаточных напряжений -отсутствует подповерхностный максимум и

уменьшилась глубина залегания сжимающих напряжений, которая составила а = 0,24 мм (А1) и а = 0,28 мм (А2).

Влияние азотирования на предел выносливости а_1 при изгибе в случае симметричного цикла было изучено на образцах с одиночными надрезами радиуса R = 0,5 мм и R = 2,5 мм. Испытания на усталость при температуре 20°С проводились на машине МУИ-6000, база испытаний - 3-106 циклов нагружения.

Значения пределов выносливости образцов а_1 представлены в табл.1.

Из данных табл.1 видно, что азотирование приводит к существенному повышению сопротивления усталости образцов с надрезом, особенно образцов с R = 0,5 мм, у которых предел выносливости увеличился в 3,2 раза.

Оценка влияния азотирования на приращение предела выносливости Аа_х проводилась по двум критериям. Во-первых, по критерию осевых остаточных напряжений

пов

а2 на поверхности опасного сечения образцов, использованному в работах [5-10]:

где - коэффициент влияния

поверхностного упрочнения на предел

пов

выносливости по критерию а 2 .

Таблица 1. Результаты испытаний на усталость образцов с надрезом

R , мм Ка Режимы азотирования а-^ МПа пов аг , МПа Уа а ост’ МПа Уа

исх. сост. 165 - - - —

0,5 2,1 А1 405 -990 0,242 -694 0,346

А2 529 -1310 0,208 -1043 0,349

исх. сост. 495 - - - -

2,5 1,2 А1 733 -590 0,403 -523 0,455

А2 738 -740 0,328 -564 0,431

Во-вторых, оценка влияния

азотирования проводилась по критерию среднеинтегральных остаточных

напряжений аост [11, 12]:

Аа-1 = У а

(2)

где уа - коэффициент влияния остаточных напряжений на предел выносливости по

критерию аост;

2 Г а2(4)

а = —

ост

П

V1 _ 4

^4;

(3)

аг (4) - осевые остаточные напряжения в наименьшем сечении образца по толщине поверхностного слоя а ; 4 = а^кр -

расстояние от поверхности надреза до

текущего слоя, выраженное в долях 1кр); 7 -

критическая глубина нераспространяющейся трещины усталости, возникающей при работе образца на пределе выносливости.

Для определения 7 образцы,

выстоявшие при напряжении, равном пределу выносливости, базу испытаний без поломки, доводились до разрушения при статическом растяжении. На изломах этих образцов были обнаружены

нераспространяющиеся трещины усталости, средняя глубина 7 которых составляла 0,11мм. Необходимо отметить, что эта величина 7 соответствует зависимости

7 = 0,0216^ (й - диаметр опасного сечения

образца), полученной ранее в работах [12,13] на основании обработки результатов большого количества экспериментов.

Значения осевых остаточных

пов

напряжений на поверхности надреза аг ,

результаты расчётов критерия

среднеинтегральных остаточных

напряжений аост по формуле (3) и коэффициентов влияния остаточных напряжений на предел выносливости уа ,

Уа по формулам (1) и (2) представлены в табл. 1.

Сравнивая величины коэффициента у/а, учитывающего влияние азотирования по

пов

критерию остаточных напряжений аг на поверхности, можно видеть, что значения этого коэффициента для образцов с надрезом R = 0,5 мм и R = 2,5 мм различаются почти в два раза, то есть весьма существенно. Такое различие коэффициента у/а не позволяет с достаточной для практики точностью использовать критерий осевых остаточных

пов

напряжений а г для оценки влияния азотирования на предел выносливости детали.

Анализируя значения коэффициента у/а, учитывающего влияние азотирования по критерию аост , можно видеть, что для

образцов с надрезом R = 0,5 мм этот коэффициент меньше, чем для образцов с надрезом R = 2,5 мм. Это различие объясняется большей степенью

концентрации напряжений для образцов с меньшим радиусом [14]. В табл. 1 приведены значения эффективного коэффициента концентрации напряжений Ка для деталей с надрезами из стали 38Х2МЮА, определённые по данным работ [15, 16]. В [14] на основании многочисленных экспериментов была установлена

зависимость между коэффициентом влияния у/а и эффективным коэффициентом концентрации напряжений Ка в виде

2

/ = 0,514 - 0,065Кст. (4)

Значения коэффициента // ,

вычисленные по зависимости (4), составили: для азотированных образцов с надрезом R = 0,5 мм - 0,372, для азотированных

образцов с надрезом R = 2,5 мм - 0,436, то есть различие между экспериментальными и расчётными значениями коэффициента //

не превышает 9%. Следовательно, критерий среднеинтегральных остаточных

напряжений (Гост может быть использован

для прогнозирования приращения предела выносливости азотированных

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

цилиндрических деталей с концентраторами напряжений в виде надрезов.

Выводы

1. Оценка влияния азотирования на

предел выносливости цилиндрических

образцов с глубокими надрезами V-образного профиля по критерию

о. пов

остаточных напряжений а2 на

поверхности образцов приводит к существенному различию коэффициента //,

что затрудняет использование этого критерия на практике.

2. Оценка влияния азотирования на

предел выносливости по критерию

среднеинтегральных остаточных

напряжений оост с учётом степени концентрации напряжений даёт приемлемые для практики результаты: коэффициент // изменяется в существенно меньших пределах, чем коэффициент // . Поэтому критерий (Гост представляется возможным

использовать для прогнозирования предела выносливости азотированных

цилиндрических образцов с надрезами из стали 38Х2МЮА.

Библиографический список

1. Иванов С.И., Григорьева И.В.

К определению остаточных напряжений в цилиндре методом снятия части поверхности // Вопросы прочности элементов

авиационных конструкций. - Куйбышев: КуАИ, 1971. - Вып. 48. - С. 179-183.

2. Павлов В.Ф., Кольцун Ю.И.,

Кирпичёв В.А. Определение остаточных

напряжений в цилиндрических образцах с V-образным надрезом // Известия вузов. Авиационная техника. - 1986. - №4. -С. 92-95.

3. Биргер И.А. Остаточные напряжения.

- М.: Машгиз, 1963. - 232 с.

4. Радченко В.П., Павлов В.Ф.

Наибольшая величина сжимающих остаточных напряжений при поверхностном упрочнении деталей // Труды МНТК «Прочность материалов и элементов конструкций». - Киев: ИПП им. Г.С.

Писаренко НАН Украины, 2011. - С. 354357.

5. Свешников Д.А., Кудрявцев И.В.,

Гуляева Н.А. Сопротивление усталости цементированных и цианированных сталей применительно к зубчатым колёсам. - М.: ВНИИТМАШ, ОНТИ, 1966. - С. 48-55.

6. Кравченко Б.А., Митряев К.Ф.

Обработка и выносливость высокопрочных материалов. - Куйбышев: Куйбышевское книжное издательство, 1968. - 131 с.

7. Серенсен С.В., Борисов С.П., Бородин Н.А. К вопросу об оценке сопротивления усталости поверхностно упрочнённых образцов с учётом кинетики остаточной напряжённости // Проблемы прочности. - 1969. - №2. - С. 3-7.

8. Туровский М.Л., Шифрин Н.М.

Концентрация напряжений в поверхностном слое цементированной стали // Вестник машиностроения. - 1970. - №11. -

С. 37-40.

9. Иванов С.И., Павлов В.Ф. Влияние остаточных напряжений на усталостную прочность // Проблемы прочности. - 1976. -№5. - С. 25-27.

10. Иванов С.И., Павлов В.Ф., Прохоров

A.А. Влияние остаточных напряжений на сопротивление усталости при кручении в условиях концентрации напряжений // Проблемы прочности. - 1988. - №5. - С. 3133.

11. Павлов В. Ф. О связи остаточных напряжений и предела выносливости при изгибе в условиях концентрации напряжений // Известия вузов. Машиностроение. - 1986.

- №8. - С. 29-32.

12. Павлов В.Ф., Кирпичёв В.А., Иванов

B.Б. Остаточные напряжения и сопротивление усталости упрочнённых деталей с концентраторами напряжений. -

Самара: Издательство СНЦ РАН, 2008. - 64 с.

13. Павлов В.Ф. Влияние на предел

выносливости величины и распределения остаточных напряжений в поверхностном слое детали с концентратором. Сообщение I. Сплошные детали // Известия вузов. Машиностроение. - 1988. - №8. -

С. 22-25.

14. Кирпичёв В.А., Филатов А.П.,

Каранаева О.В., Чирков А.В, Семёнова О.Ю. Прогнозирование предела выносливости поверхностно упрочнённых деталей при различной степени концентрации

напряжений // Труды МНТК «Прочность материалов и элементов конструкций». -Киев: ИПП им. Г.С. Писаренко НАН

Украины, 2011. - С. 678-685.

15. Серенсен С.В., Когаев В.П., Шнейдерович Р.М. Несущая способность и расчёт деталей машин на прочность. - М.: Машиностроение, 1975. - 488 с.

16. Бордаков С.А., Сургутанова Ю.Н. Формирование остаточных напряжений в поверхностном слое неупрочнённых деталей под действием циклических нагрузок. -Самара: Издательство СНЦ РАН, 2010. -127 с.

NITRIDING INFLUENCE ON RESIDUAL STRESSES AND ENDURANCE LIMIT OF SPECIMENS WITH NOTCHES MADE OF 38X2MMA STEEL

1Samara State Aerospace University named after academician S.P. Korolyov (National Research University)

2Yaroslavl State Technical University

The residual stresses after nitriding in specimens with notch made of 38X2MTOA steel are studied. It is established that the average integral residual stresses criterion can be used for the evaluation of endurance limit increment at bending for such specimens.

Specimens with notch, 38X2MWA steel, nitriding, endurance limit, residual stresses.

Информация об авторах Вакулюк Владимир Степанович, кандидат технических наук, доцент кафедры сопротивления материалов, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет). E-mail: [email protected]. Область научных интересов: механика остаточных напряжений.

Чирков Алексей Викторович, кандидат технических наук, ассистент кафедры сопротивления материалов, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет). E-mail: [email protected]. Область научных интересов: механика остаточных напряжений.

Букатый Алексей Станиславович, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры технологии машиностроения, Ярославский государственный технический университет. E-mail: [email protected]. Область научных интересов: механика остаточных напряжений.

Филиппов Александр Александрович, аспирант кафедры сопротивления материалов, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика

С.П. Королёва (национальный исследовательский университет). E-mail: [email protected]. Область научных интересов: механика остаточных напряжений.

Vakuljuk Vladimir Stepanovich, candidate of technical sciences, associate professor of strength of materials department, Samara State Aerospace University named after academician S.P. Korolyov (National Research University). E-mail: [email protected]. Area of research:

residual stresses mechanics.

Chirkov Alexey Viktorovich, candidate of technical science, assistant of strength of materials department, Samara State Aerospace University named after academician S.P. Korolyov (National Research University). E-mail: [email protected]. Area of research: residual stresses mechanics.

Bukatyi Alexey Stanislavovich, candidate of technical science, senior lecturer of machining technology department, Yaroslavl State Technical University. E-mail: [email protected]. Area of research: residual stresses mechanics.

Philippov Alexandr Alexandrovich, post-graduate student of strength of materials department, Samara State Aerospace University named after academician S.P. Korolyov (National Research University). E-mail: [email protected]. Area of research: residual stresses mechanics.

NITRIDING INFLUENCE ON RESIDUAL STRESSES AND ENDURANCE LIMIT OF SPECIMENS WITH NOTCHES MADE OF 38

Текст научной работы на тему «Влияние азотирования на остаточные напряжения и предел выносливости образцов с надрезами из стали 38Х2МЮА»