CC BY
71
УДК 629.12.037.4.67
Т. А. Кужахметов, Р. У. Иксанов, В. А. Мамонтов
ВЛИЯНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО ПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ НА УСТАЛОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МОДЕЛЕЙ СУДОВЫХ ВАЛОВ С ТРЕЩИНАМИ
В судовых валах в процессе эксплуатации возникают дефекты в виде усталостных трещин, которые, являясь сильными концентраторами напряжений, приводят к их усталостному разрушению. Правилами Морского регистра судоходства эксплуатация валов с трещинами запрещена, вследствие чего валы бракуются при обнаружении в них трещин любых размеров.
Однако имеются сведения о том, что не все трещины приводят к разрушению [1]. Такие трещины определили в класс нераспространяющихся. Согласно литературным данным, существует несколько причин остановки роста усталостных трещин [2]. Среди них можно отметить изменение уровня действующих напряжений, изменение асимметрии цикла нагружения в вершине трещины с ее ростом, изменение распределения остаточных напряжений от поверхностного наклепа, увеличение жесткости напряженного состояния у вершины усталостной трещины при ее развитии, притупление вершины трещины и др.
Согласно теории стадийности усталостного разрушения трещина претерпевает два основных периода до окончательного разрушения конструкции - зарождение и развитие. Известно, что поверхностный наклеп, как фактор, тормозящий рост трещин, оказывает гораздо большее воздействие на период развития трещины, чем на ее зарождение. Однако не до конца изучено влияние поверхностного пластического деформирования (ППД) на кинетику развития трещин, напряженно-деформированное состояние в вершине трещины, на усталостные характеристики деталей с трещинами.
В связи с вышеизложенным была поставлена задача оценить влияние поверхностного пластического деформирования и на усталостные характеристики моделей судовых валов с трещинами.
Исследования включали в себя выращивание трещин определенной глубины с последующим обкатыванием роликом и проведение сравнительных усталостных испытаний.
Исследования проводились на круглых образцах-моделях с диаметром выточки в опасном сечении 20 мм (рис. 1).
Рис. 1. Образцы для испытаний
Конструкция образцов была выполнена такой, чтобы вырастить трещины определенной глубины и длины, упрочнить обкатывающим роликом и провести сравнительные усталостные испытания. Образцы были изготовлены из поковок стали 35 по ГОСТ 1050-88, которую применяют при изготовлении судовых валов. Химический состав и механические свойства стали приведены в таблице.
Химический состав и механические свойства стали 35
Содержание элементов, %
С Мп Si Сг № Р S Си
0,377 0,621 0,211 0,204 0,052 0,00 0,043 0,231
Механические свойства
стТ, МПа ств, МПа Стпц, МПа 5, % ^, % НВ
288...302 582.604 278.299 0 3 3 2 0 5 6 4 8 5 5 4
Для выращивания трещин определенной глубины на образцах-моделях была разработана методика, согласно которой глубина трещины определяется по скорости ее роста.
При испытании 20-ти образцов на выносливость при круговом изгибе было получено среднее значение скорости роста трещины, составляющее 2,423-10"4 мм/цикл. По результатам испытаний построены графики скоростей роста трещин.
При анализе изломов образцов была определена зависимость между глубиной трещины и ее длиной по окружности сечения, которая для трещин глубиной 0,5-3,2 мм составляет:
с = 0,428 • I,
где с - глубина трещины; I - длина трещины по окружности сечения.
Данные о скорости роста трещин и зависимости глубины трещины от длины по окружности сечения, полученные в ходе исследований, позволили вырастить в образцах трещины глубиной 1 и 2 мм. Для исследования влияния ППД на развитие усталостных трещин на гребных валах было произведено упрочнение двух партий образцов с трещинами глубиной 1 и 2 мм.
В качестве способа упрочнения ППД экспериментальных образцов был принят способ обкатывания роликом как наиболее оптимальный и технологичный для деталей класса валов и используемый при изготовлении и ремонте гребных валов. Для упрочнения спроектировано и изготовлено однороликовое обкатное приспособление и выбраны режимы обкатывания. Расчет оптимальных параметров упрочнения проводился в соответствии с методикой определения рабочей нагрузки на ролик, которая представлена в [3]. В результате расчета получены значения геометрических параметров ролика: профильный радиус ролика г = 2,5 мм, диаметр ролика D = 60 мм; глубина упрочнения и оптимальная нагрузка на ролик Р = 21 кН.
По результатам расчета было изготовлено однороликовое обкатное приспособление, в котором усилие обкатывания контролируется по динамометру сжатия.
Для уточнения расчетных значений глубины упрочненного слоя в обкатанных образцах были проведены замеры микротвердости поверхностного слоя. Обкатанные образцы разрезались в месте упрочнения, изготавливались шлифы и с помощью микротвердомера ПМТ-3 производились замеры микротвердости с поверхности в глубь сердцевины образца.
По результатам замеров были построены графики распределения микротвердости по глубине упрочняемого слоя (рис. 2). Оптимальное распределение микротвердости и необходимая глубина упрочнения соответствуют расчетному значению усилия обкатывания Р = 21 кН. Большие значения приводят к перенаклепу поверхностного слоя, а меньшие - к недостаточной глубине упрочнения.
h, мм
Рис. 2. Распределение микротвердости по глубине упрочняемого слоя:
1 - усилие 17,5 кН; 2 - усилие 20 кН; 3 - усилие 21 кН; 4 - усилие 22,5 кН
Для оценки влияния ППД на усталостные характеристики моделей валов с трещинами были проведены сравнительные усталостные испытания и построены усталостные кривые образцов (рис. 3). Средние значения пределов выносливости определялись испытаниями по методу лестницы.
Рис. 3. Кривые усталости образцов: 1 - образцы без трещин;
2 - образцы с трещинами глубиной 1 мм неупрочненные; 3 - образцы с трещинами глубиной 2 мм неупрочненные; 4 - образцы с трещинами глубиной 1 мм, упрочненные обкатыванием;
5 - образцы с трещинами глубиной 2 мм, упрочненные обкатыванием
Анализ кривых усталости показал, что эффективными способами торможения трещин являются понижение уровня действующих напряжений и ППД. Пределы выносливости образцов с трещинами глубиной 1 мм составили 100 МПа, глубиной 2 мм - 70 МПа. При этом снижение пределов выносливости по сравнению с образцами без трещин образцов с трещинами глубиной 1 мм составило 60 %, глубиной 2 мм - 72 %. Поверхностное пластическое деформирование обкатыванием роликом повысило пределы выносливости образцов с трещинами глубиной 1 мм на 105 % по сравнению с неупрочненными с трещинами той же глубины.
Таким образом, можно сделать вывод, что ППД повышает сопротивление усталости образцов с трещинами по сравнению с неупрочненными образцами и является наиболее эффективным способом торможения развивающихся трещин.
Поскольку образцы физически моделируют материал натурных валов, их механические свойства, а также условия нагружения в эксплуатации, то это позволяет применить полученные экспериментальные данные для восстановления работоспособности судовых валов с трещинами путем обкатывания роликом и тем самым продлить срок их службы.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Иванова В. С., Терентьев В. Ф. Природа усталости металлов. - М.: Металлургия, 1975. - 455 с.
2. Кудрявцев П. И. Нераспространяющиеся усталостные трещины. - М.: Машиностроение, 1982. - 171 с.
3. Дрозд М. С., Матлин М. М., Сидякин Ю. И. Инженерные расчеты упругопластической контактной деформации. - М.: Машиностроение, 1986. - 224 с.
Статья поступила в редакцию 30.01.2008
INFLUENCE OF SUPERFICIAL PLASTIC DEFORMATION ON FATIGUE CHARACTERISTICS OF MODELS OF SHIP SHAFT WITH CRACKS
T. A. Kuzhahmetov, R. U. Iksanov, V. A. Mamontov
One of the methods of fatigue crack cultivation is described. The data on the crack growth rate are given. The way of growth inhibition of fatigue cracks is considered by superficial plastic deformation. The results of comparative fatigue tests of experimental sample-models of the ship shaft with the cracks, strengthened with roller running are presented.
Key words: fatigue resistance, cracks, ship shaft, superficial plastic deformation, strengthening depth.
