CC BY
9УДК 621.787:539.319
ВЛИЯНИЕ МНОГОЦИКЛОВЫХ УСТАЛОСТНЫХ ИСПЫТАНИЙ НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ УПРОЧНЕННОГО СЛОЯ ПЛОСКИХ ОБРАЗЦОВ
В. П. Радченко\ AM, Морозов, А.С. Букатый1
1 Самарский государственный технический университет,
44J100, Самара, ул. Молодогвардейская, 244
1 Самарский государственный аэрокосмический университет,
443086, Самара, Московское шоссе, 34
Изучено влияние многоцикловых усталостных испытаний плоских образцов из сплава ЭИ698ВД, предварительно упрочненных в режиме пневмодробеструйной обработки, на характеристики шероховатости и микротвердости поверхностного слоя. Установлено, что микротвердость коррелирует с величиной сжимающих остаточных напряжений на упрочненной поверхности, а шероховатость не зависит от режимов и характера усталостных испытаний.
Ключевые слова: плоские образцы, упрочнение, усталостные испытания, остаточные напряжения, микротвердость, шероховатость
Введение. Взаимное влияние параметров качества поверхностного слоя и характеристик усталости жаропрочных сталей и сплавов при высокочастотном нагружении
- хорошо известный факт [1-3]. Одним из способов повышения работоспособности деталей является поверхностное пластическое деформирование, при этом качество поверхностного слоя характеризуется шероховатостью поверхности, её микротвердостью, степенью и глубиной деформационного упрочнения, величиной и знаком остаточных напряжений, а также многими физическими параметрами, связанными с искажением кристаллической решётки, плотностью дислокаций и другими.
В работе [4] изучено влияние режимов пневмодробеструйной обработки на остаточные напряжения и предел выносливости плоских образцов из сплава ЭИ698 ВД. Для этого было изготовлено 30 образцов для определения остаточных напряжений и 36 образцов для испытаний на усталость. Упрочнение образцов осуществлялось на двух установках - гидродробеструйной установке VB-130 Wet и пневмодробеструйной установке Vapor Blast RSPA-2. Режимы упрочнения приведены в табл. 1. На каждом режиме было упрочнено по 4 образца для определения остаточных напряжений и по три образца для сравнительных испытаний на усталость.
В настоящей работе поставлена задача оценки влияния многоцикловых усталостных испытаний на характеристики шероховатости и микротвердости упрочненного слоя указанных выше плоских образцов.
Методика проведения эксперимекга. Исследованию подвергались образцы типа I и II из жаропрочного никелевого сплава ЭИ698 ВД, внешний вид которых с указанием размеров представлен на рис, 1 и 2 соответственно,
Радченко Владимир Павлович - заведующий кафедрой «Прикладная математика и информатика», д. ф.-м. н., профессор.
Морозов Андрей Павлович - студент.
Бука ты/) А.С. - аспирант.
Образцы типа I Неупрочненная сторона образца (рис. 1, б) исследовалась после шлифования. Упрочненная сторона образца (рис, 1, а) подвергалась следующей обработке (все режимы упрочнения представлены в табл, 2):
- участок 1 - зона травления; глубина стравленного слоя после электрополирования указана в табл. 2 и составляет 125-228 мкм;
- участки 2, 3 не подвергались электрополировке; на них происходило упрочнение образца за счет дробеструйной обработки стеклянными шариками или стальной дробью; тип дроби с указанием размера также представлен в табл. 2; участок 2 в последующем полировался.
Табл ица!
Параметры режимов упрочнения опытных образцов
Тип и диаметр микрошариков с/т № режима упрочнения Давление энергоносителя Л МПА Средние величины характеристик
Толщина упрочненного слоя я, мм Предел выносливости (т.1, МПа
Неупроч*4енные образцы 332,89
Стеклянные 0 250 мкм 1 0,2 0,103 395,18
2 0,3 0,122 395,37
3 0,4 0,137 411,46
Стальные 0 315 мкм 4 0,15 0,147 545,38
5 0,3 0,173 562,59
6 0,45 0,210 630,20
7 0,6 0,232 574,80
Рис, 1, Внешний ввд исслецуемых образцов типа I с упрочненной (а) и неупрочненной (б) сторонами: длина образца - 60 мм; ширина - 8 мм; высота-3 мм
Зона крепления образца к вибростенду
Р и с, 2, Внешний вид исследуемых образцов типа II: длина образца - 103 мм; ширина - от 5 до 20 мм; высота - 3 мм
Образцы типа II Поверхность образцов данного типа полностью упрочнена. Режимы упрочнения образцов типа I и II совпадают. В дальнейшем образцы подвергались испытанию на усталость.
На исследуемых образцах проводилось измерение микротвердости по Кнуппу, которое осуществлялось на микротвердомере ММ6 фирмы «Ьейг». В испытываемый образец вдавливался индентор в вице алмазной пирамидки с соотношением продольной и поперечной диагоналей 1:7.
На образцах типа I замеры проводились по длине на неупрочненной стороне с шагом 3 мм, а также в зонах: 1 - с шагом 2,2 мм, 2-е шагом 0,35 мм, 3-е шагом
0,3 мм (см. рис. 1, а). Полученные значения представлены в табл. 3.
Схема измерений микротвердости на образцах типа II представлена на рис, 3, На участках 1-5 шаг измерения составлял 0,7 мм; на участке 6-1,4 мм; на участке 7 -2 мм.
Следующим направлением в работе являлось измерение шероховатости, проведенное на приборе «Эигйей 31-201Р». На образцах типа I были исследованы 3 участка:
- неупрочненная сторона (рис. 1, б); измерение шероховатости проводилось вдоль образца, длина замера составляла 12,5 мм;
- упрочненная сторона, зона 1; в данной области по длине образца про-
водилось 2 измерения с шагом 12,5 мм;
- упрочненная сторона, зона 3; измерение шероховатости осуществлялось поперек участка, длина замера составляла 4 мм.
Схема измерений шероховатости на образцах типа II представлена на рис, 4, На каждой лопатке произведено по 6 замеров с каждой стороны. Длина всех замеров составляла 12,5 мм.
: :
Рис, 3, Схема измерений микротвердосги на образцах типа II: 1 -6 - замеры поперек образца, 7 - замер вдоль
Р и с, 4, Схема измерений шероховатости на образцах типа II: 1-5 - замеры вдоль образца, 6 - замер поперек
Таблица 2
Исходные характеристики образцов
! № ! режима Тип дроби Давле- ние БОЗД. л МПа образца. Тип I Глубина стравленного слоя для образца типа I, мкм № образца. Тип II Число циклов до разрушения для образна типа II
1 Стеклянные шарики 250 по БМЯ 71- 110,212300 мкм 0,2 17 127,16 44 6,80Е+05
! 2 0,3 48 125,186 10 8,80Е+05
1 3 0,4 55 150,566 38 1,97Е+06
4 Стальная дробь 315 стандартная {51 Ю)поОМЯ71 -ПО, 180-500 0,15 50 166,48 И 2,ООЕ+О6
5 0,3 43 179,114 16 5,40Е+05 ,
6 0,45 53 228,98 15 1,46Е+06 |
7 0,6 27 225,85
8 Без упрочнения 59 130,069
Исследование шероховатости проводилось по следующим параметрам: К, - высота неровностей профиля по десяти точкам; Л, - среднее квадратичное отклонение профиля.
Табл, 2 содержит основную информацию по исходным характеристикам образцов типа I и И.
Результаты экспериментов и их обсуждение. Данные по измерению микротвердости в анализируемых образцах типа I, II и характерное распределение НК представлены в табл. 3 и на рис, 5-7,
Выявлено, что микротвердость в неупрочненной зоне образцов типа I (рис, 1, б) имеет ярко выраженный неоднородный характер. Разброс значений микротвердости составляет примерно 2700 единиц (от 400 НКдо 3100 НК). Это обусловлено тем, что поверхность после шлифовки имеет полосчатое строение с характерными зонами впадин и выступов. Ширина этих зон составляет примерно 25-40 мкм. Отпечатки пирамидок при вдавливании имеют достаточно прерывистый характер, и их величина изменяется от 18 до 48 мкм в зависимости оттого, в какую зону попадает отпечаток, В качестве иллюстрации на рис, 5 показан график изменения микротвердости в зоне шлифовки на образце №43,
Р и с. 5. Характерное изменение микротвердости на неупрочненной стороне образца типа I
Следует обратить внимание на образец №59 (тип I), не подвергнутый упрочнению. В зонах 2 и 3 наблюдается такой же выброс значений микротвердости, как и на шлифованной поверхности, хотя травленый участок 1 характеризуется достаточно однородной структурой (табл. 3, режим 8).
На образцах типа I при стравливании поверхностного слоя глубиной до 150170 мкм происходит явное выравнивание структуры. Выступы и впадины исчезают, значение микротвердости на всех образцах практически не изменятся и составляет 500-600 НК, На рис, 6 представлен типичный характер распределения микротвердости в зоне 1 образцов типа I (образец №17).
При сопоставлении данных по измерению микротвердости при обработке для режимов 1-3 и 4-7 выявлено, что наибольший прирост микротвердости на образцах типа 1 наблюдается при упрочнении стеклянными шариками, где среднее значение НК составляет 1200-1500 единиц. При обработке стальной дробью микротвердость возрастает до 800-900 НК.
Анализ измерений микротвердости в образцах типа П также указывает на более эффективный режим при обработке стеклянными шариками, что проявляется в поперечных замерах (участки 1-6) и особенно наглядно - на участке 7 (рис. 7),
Проведенный анализ значений микротвердости поперек образца (участки 1-6) показал стабильное значение микротвердости (500-600 НК) на замере №6. Наибольшее значение микротвердости наблюдается на участках 4, 5,
Т аблнцаЗ
Данные по измерению микротвердости в образцах типа І, II
№ режима 3 1 * Микротвердость на образцах типа 1, НК Микротвердость на образцах типа II на соответствующих участках, НК
. <0 О. X с О £* 9 х С § £ Зона 2 Зона 3 1 2 3 4 5 6 7
1 17 (тип 1) 44 (тип II) 490- 2300 8 о V" «/Ї 980.... 1200 о 2 950- 1050 1000- 1050 1200- 2200 1400- 2500 1400- 2200 550- 560 500- 2500
2 10 (тип II) 0501 -0001 1000- 1050 1000- 1050 1000- 1050 1400- 1500 о <5 Г) «1 (Л 500- 2000
3 55 (тип 1) 38 (тип щ * Ф •о з 'Г § 450- 600 800- 1500 500- 1000 1500- 1600 1600- 2000 1400- 1500 1400- 1500 1500- 2000 550- 560 500- 2200
4 II (тип 11) 0001 -006 009 -005 950- 1050 1100- 1150 1100- 1200 1 ЙЗ «Л г- 980- ■ 1500
5 43 (тип 1) 16 (тип II) 450- 2100 і § ІІ 980- 1400 ООП •0001 'О ^ 1000- 1500 0011 -0001 1050- 1100 •л 500- ! 1000
б 15 (тип II) 850- 900 950- 1050 600- 1000 0001 *005 1000- 1500 500- 700 550- 2000
7 27 (тип 1) 2100- 3100 500- 600 м 8001 900
8 59 (тип 1) 400- 3100 550- 900 * О о- о о VI 'О — 500- 5000
НК
1600
800
гА г \Н (\г
г*
О
25
50
75 I, мм
Рис, 6, Характерное изменение микротвер- Р и с, 7, Характерное изменение микршвер-
дости в травленой зоне (зона№1) образца дости по всей длине образца типа II
типа!
По всей видимости, это связано с тем, что в наиболее нагруженных зонах 1 и 2 (см. рис. 3) при изгибе в процессе усталостных испытаний, во-первых, произошла релаксация остаточных напряжений в упрочненном слое, а во-вторых, наблюдалось «разрыхление» материала вследствие накопления поврежденное™, что и привело к снижению характеристик микротвердости. На периферийных же участках 4 и 5, в которых напряжения при изгибе в процессе усталостных испытаний незначительны, микротвердость сохраняет достаточно высокое значение.
При сопоставлении значений микротврердости на образцах типа I (без усталостных испытаний) и типа П (на которых проводились испытания на усталость) выявлено, что максимальные значения микротвердости в зонах 2, 3 образцов типа I значительно ниже микротвердости периферийной части образцов типа П.
Результаты следующего этапа - измерения шероховатости - представлены в табл. 4-7. Первоначально анализу подвергались образцы типа I с неупрочненной стороны. Результаты замеров К, и Л показаны в табл. 4.
Табл. 5 иллюстрирует влияние режима Таблица 4 травления на изменение шероховатости (в зоне
Результаты измерения травления для каждого образца проводилось по
шероховатости образцов двя измерения).
%ыш■' приведенные в табл. 4 и 5, свидетельствуют о росте параметров шероховатости после травления.
Результаты по измерению шероховатости после упрочнения (зона 3, рис, 1, а) показаны в табл. 6.
Из анализа данных таблиц можно сделать вывод, что режимы травления и дробеструйной обработки оказывают примерно одинаковое влияние на рост параметров шероховатости. Вместе с тем при сопоставлении результатов изменения шероховатости при обработке в режимах 1-3 и 4-6 выявлено, что стеклянные шарики изменяют шероховатость в меньшей степени, чем стальная дробь.
типа I с неупрочненной стороны
Море- жима № образца мкм Д?, мкм
1 17 2,06 0,47
2 48 1,56 0,30
3 55 2,47 0,55
4 50 1,50 0,23
5 43 2,28 0,38
6 53 2,56 0,59
7 27 2,32 0,50
8 59 1,86 0,40
В заключение рассматривалось влияние усталостных испытаний на изменение шероховатости. Результаты замеров по участкам, указанных на рис. 4, представлены втабл, 7,
Таблица 5 Результаты измерения шероховатости образцов типа I в зоне травления
Таблица 6 Результаты измерения шероховатости образцов типа I в зоне упрочнения
№ режима 3 1 % Ж мкм X ж X 0*
1 17 5,26/6,07 1,06/1,14
2 48 5,48/5,81 1.03/1.09
3 55 4,73/4,54 1,03/1.04
4 50 5,08/4,87 0,96/0.95
5 43 4,28 / 5,25 0.95/ 1.05
6 53 5,70/5,16 1,11/0.95
7 27 6,34/6,51 1,11 / 1.31
в 59 4,58/5,96 0,83/0.94
№ режима № образца £ X X ж X в?
I 17 3.80 0,78
2 48 5.42 1,15
3 55 5,84 1.17
4 50 4,28 0,89
5 43 4,22 0,99
6 53 6,92 1,47
7 27 121 1,60
8 59 6,01 1,14
Табл ица7
Результаты измерения шероховатости на образцах типа II
№ режима N° образца Замер 1 Замер 2 Замер 3 Замер 4 Замер 5 Замер 6
Къ мкм мкм Къ мкм д.. мкм мкм мкм к* мкм К мкм Дг, мкм мкм мкм К мкм
1 44 5,07 0,74 5,12 0,79 4,71 0,73 5,84 0,88 5,32 0,75 8,71 1,93
2 10 6,56 0,98 5,93 0,94 5,16 0,97 5,41 0,94 6,96 1,03 6,00 1,(Ю
39 6,42 1,05 5,70 0,98 5,26 1,04 7,54 1,30 6,98 1,12 6,03 1,04
3 38 6,36 1,06 6,10 1,03 6,73 1,08 7,19 1,28 6,35 1,14 6,10 1,09
32 7,53 1,33 6,36 1,06 6,04 1,05 6,23 1,06 6,82 1,17 7,01 1,17
4 И 5,48 0,96 7,83 1,52 7,99 1,63 8,27 1,59 6,38 1,32 6,82 1,42
12 6,74 1,44 7,21 1,45 7,11 1,34 7,84 1,50
5 16 9,84 2,18 8,83 1,79 9,27 1,78 8,36 1,73 8,88 1,99 9,32 1,89 |
17 9,20 1,95 9,82 2,00 7,95 1,57 10,7 2,17
6 15 12,4 2,43 11,8 2,49 12,0 2,50 15,7 3,02
Исследования шероховатости, проведенные с обратных сторон образцов, дают примерно такие же значения.
Анализ результатов, представленных втабл. 6 и 7, указывает на незначительное повышение шероховатости после испытаний на усталость. Данные из табл. 7 подтверждают полученные ранее выводы о том, что обработка поверхности стальной дробью значительнее влияет на рост шероховатости.
Выводы по работе. Проведенный анализ образцов в исходном состоянии (после шлифовки), травленых образцов, упрочненных образцов и образцов, подверженных испытаниям на усталость, позволяет сформулировать нижеследующие выводы.
1. Образцы в исходном состоянии имеют полосчатую структуру с выступами и впадинами, ширина которых составляет 25-40 мкм, и отличаются достаточно неоднородными значениям и микротвердости. Разброс значений в этой зоне составляет 2700 НК. Измерение шероховатости осуществлялось вдоль полос, поэтому ее значения достаточно малы.
2. Травление, проведенное на образцах типа I, приводит к однородности значений микротвердости и росту значений шероховатости.
3. Сопоставление режимов дробеструйной обработки на образцах типа I указывает на то, что обработка стеклянными шариками - более выгодный режим с точки зрения повышения микротвердости и незначительного увеличения шероховатости.
4. Испытания на усталость, проведенные на образцах типа II, оказывают существенное влияние на рост микротвердости в периферийной зоне.
5. Усталостные испытания не оказывают существенного влияния на шероховатость поверхности.
Работа выполнена при поддержке Федерального агентства по образованию (проект РЕП 2.1.1 / 3397, государственный контракт №П818/
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Сулима А.М., Шулов В.А., Ягодкин Ю.Д. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин. - М: Машиностроение, 1988. - 240 с.
2. Сулима А.М., Евстигнеев МИ. Качество поверхностного слоя и усталостная прочность деталей из жаропрочных и титановых сплавов. - М.: Машиностроение, 1974. - 250 с.
3. Биргер И.А. Остаточные напряжения. - М.; Машгиз, 1963.-232 с.
4. Кирпиче в В.А., Букатый А.С. Влияние режимов пневмодробестуйной обработки на остаточные напряжения, микрогвердость и сопротивление усталости // Физика прочности и пластичности материалов: Труды XVII Междунар. конф. - Самара: СамГТУ, 2009. - Т. 1. - С. 109-111-
Статъя поступила в редакцию Юоктября 2009г.
UDC 621.787:539.319
INFLUENCE OF HIGH-CYCLE FATIGUE ACTIONS ON PHYSICAL-MECHANICAL STATE OF THE PLANE SAMPLES HARDENED CASE
V.P. Radchenko\A.P. Morozov\A.S. Bukatiy2
1 Samara State Technical Univeraty,
244, Mdodogrardeyskay str., Samara, 443100 1 Samara State Aeraptce Univeisity,
244, Makovskoe sli. str., Samara, 443086
The influence on the characteristics roughness and microhardness of high-cyclefatigue actions of the plane samples from the alloy E1698 VD, previously hardened in the rate of the air shot blasting, was researched. It became clear, that microhardness correlates with the value of the compressing remaining tensions at hardened case, but roughness doesn 7 depend on rates and character of fatigue actions.
Key words:plane samples, hardening, fatigue actions, remaining tensions, microhardness, roughnes
165
