CC BY
30
УДК 621.787:539.319
ВЛИЯНИЕ РАДИУСА НАДРЕЗА ПРИ ОПЕРЕЖАЮЩЕМ ПОВЕРХНОСТНОМ ПЛАСТИЧЕСКОМ ДЕФОРМИРОВАНИИ НА ПРЕДЕЛ ВЫНОСЛИВОСТИ ДЕТАЛЕЙ
© 2011 В. С. Вакулюк, В. А. Кирпичёв, В. Ф. Павлов, А. В. Чирков
Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва
(национальный исследовательский университет)
Экспериментально установлено, что с увеличением радиуса надреза при опережающем поверхностном пластическом деформировании уменьшается приращение предела выносливости в связи с уменьшением сжимающих остаточных напряжений в наименьшем сечении детали.
Опережающее поверхностное пластическое деформирование, радиус надреза, остаточные напряжения, предел выносливости.
Опережающее поверхностное пластическое деформирование (ОППД) как упрочняющая обработка деталей с концентраторами напряжений используется тогда, когда непосредственное упрочнение концентратора затруднено. В этом случае поверхностным пластическим деформированием вначале обрабатывается гладкая деталь, а затем на эту деталь наносится концентратор. В результате перераспределения остаточных усилий поверхностно упрочнённой гладкой детали при нанесении концентратора возникают дополнительные остаточные напряжения [1, 2]. Остаточные напряжения детали с концентратором после ОППД определяются суммированием дополнительных напряжений и исходных остаточных напряжений гладкой детали [1, 2]. Опережающее поверхностное пластическое деформирование за счёт концентрации сжимающих остаточных напряжений приводит к существенному повышению характеристик сопротивления усталости деталей с концентраторами напряжений. Положительный эффект от ОППД наблюдается и в том случае, когда упрочнённый поверхностный слой гладкой детали прорезается полностью [3].
В настоящем исследовании изучалось влияние радиуса надреза при ОППД образцов из стали 20 диаметром 10 и 25 мм на предел выносливости при изгибе. Гладкие образцы подвергались пневмодробеструйной обработке (ПДО) дробью диаметром 1,5 - 2 мм при давлении воздуха 0,25 МПа в течение 10 минут, а также обкатке роликом (ОР) диаметром 60 мм и профильным радиусом 1,6 мм при усилии Р = 0,5 кН и Р = 1,0 кН с
подачей 0,11 мм/об и скоростью вращения образца 400 об/мин. Затем на все упрочнённые и неупрочнённые гладкие образцы диаметром 10 мм наносились круговые надрезы полукруглого профиля двух радиусов: Я = 0,3 мм и Я = 0,5 мм, а на образцы диаметром 25 мм - трёх радиусов: Я = 0,3 мм, Я = 0,5 мм и Я = 1,0 мм.
Остаточные напряжения в гладких образцах определялись экспериментально методом колец и полосок [4], а в образцах диаметром 10 мм также и методом удаления части цилиндрической поверхности [5]. Распределение осевых а 2 остаточных напряжений по толщине поверхностного слоя а гладких образцов диаметром 10 мм приведено на рис. 1, а диаметром 25 мм - на рис. 2.
Из данных рис. 1 следует, что после нанесения на упрочнённые ПДО образцы диаметром 10 мм надрезов с радиусами Я = 0,3 мм и Я = 0,5 мм материал на дне концентраторов находится в ненаклёпанном состоянии. Такое же состояние наблюдается после нанесения на упрочнённые обкаткой роликом образцы при Р = 0,5 кН надрезов с радиусом Я = 0,5 мм. В остальных случаях обкатки роликом образцов диаметром 10 мм материал на дне надрезов находится в наклёпанном состоянии (Р = 0,5 кН - Я = 0,3 мм; Р = 1,0 кН - Я = 0,3 мм и Я = 0,5 мм). Из данных, приведённых на рис.2, следует аналогичный вывод для упрочнённых образцов диметром 25 м с надрезами Я = 0,3 мм и Я = 0,5 мм. Для образцов с надрезами Я = 1,0 мм во всех случаях упрочнения материал на дне концентраторов находится в не-наклёпанном состоянии.
Рис.1. Осевые остаточные напряжения о, в упрочнённых гладких образцах диаметром-10 мм после: 1 - ПДО; 2 - ОР, Р = 0,5 кН; 3 -ОР, Р = 1,0 кН
метром 10 мм с надрезами проводились на машине МУИ-6000, образцов диаметром 25 мм - на машине УММ-01 [6]. База испытаний - 3-106 циклов нагружения. Результаты определения предела выносливости о представлены в табл. 1 и 2.
0 0,05 0,1 0,15 ОД (125 а, мм
-1
Рис. 2. Осевые остаточные напряжения о, в упрочнённых гладких образцах диаметром- 25 мм после: 1 - ПДО; 2 - ОР, Р = 0,5 кН; 3 -ОР, Р = 1,0 кН
Остаточные напряжения в упрочнённых образцах с надрезами определялись аналитическим методом - суммированием дополнительных остаточных напряжений и остаточных напряжений гладких образцов [2], а также численным методом с использованием программного комплекса М8С.Каз1;гап/ М8С.Ра1гап. Распределение осевых о, остаточных напряжений по толщине поверхностного слоя а наименьшего сечения образцов диаметром 10 мм с надрезами приведено на рис. 3, диаметром 25 мм - на рис. 4 и 5.
Анализируя данные рис. 1-5, можно видеть, что при практически одинаковых максимальных остаточных напряжениях гладких образцов в образцах с надрезом одного радиуса остаточные напряжения тем выше, чем больше толщина поверхностного слоя гладких образцов с сжимающими остаточными напряжениями. Эта закономерность объясняется концентрацией остаточных напряжений в области дна надреза.
Испытания на усталость при изгибе в случае симметричного цикла образцов диа-
-200
-400
1 1 1 1 1 1 1 пт 1 1
IV 1 1 ’-ч 1 1 Г" ' —- ■—
"V 2\
2 -600
-800
-1000
Рис. 3. Осевые остаточные напряжения о , в упрочнённых образцах диаметром- 10 мм с надрезами (--------Я = 0,3 мм;--------Я = 0,5 мм) после: 1
- ПДО; 2 - ОР, Р = 0,5 кН; 3 - ОР, Р = 1,0 кН О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 а, мм
Рис. 4. Осевые остаточные напряжения о, в упрочнённых образцах диаметром- 25 мм с надрезами (---------Я = 0,3 мм;-------Я = 0,5 мм-) после:1 -
ПДО; 2 - ОР, Р = 0,5 кН; 3-ОР, Р = 1,0 кН
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 а, мм
Рис. 5. Осевые остаточные напряжения о, в упрочнённых образцах диаметром- 25 мм с надрезами Я = 1,0 мм после: 1 - ПДО; 2 - ОР,
Р = 0,5 кН; 3 - ОР, Р = 1,0 кН
Выстоявшие базу испытаний при напряжении, равном пределу выносливости, упрочнённые образцы доводились до разрушения при большем напряжении. Во всех упрочнённых образцах были обнаружены нераспространяющиеся трещины усталости, средняя глубина которых 7 для каждой
партии образцов представлена в табл.1 и
табл. 2. Следует отметить, что значения 7
хорошо согласуются с установленной ранее [7, 8] зависимостью
^ = 0,0216 • Б, (1)
где Б - наименьший диаметр упрочнённого образца (детали) с концентратором напряжений.
Таблица 1. Результаты испытаний на усталость образцов диаметром 10 мм
Надрез Я, мм Неупроч. образцы о_1, МПа Упрочнённые образцы
обработка МПа °Г, МПа Уо І , кр ’ мм О & ост МПа Уо
ПДО 155 -263 0,171 0,203 -126 0,357
0,3 110 ОР, Р = 0,5 кН 230 -732 0,164 0,195 -337 0,356
ОР, Р = 1,0 кН 267,5 -861 0,183 0,205 -454 0,347
ПДО 137,5 -90 0,194 0,196 -48 0,365
0,5 120 ОР, Р = 0,5 кН 187,5 -311 0,217 0,202 -178 0,379
ОР, Р = 1,0 кН 250 -517 0,251 0,192 -333 0,390
Таблица 2. Результаты испытаний на усталость образцов диаметром 25 мм
Надрез Я, мм Неупроч. образцы 0-1, МПа Упрочнённые образцы
обработка МПа °г, МПа Уо І , кр ’ мм О & ост МПа Уо
ПДО 137,5 -343 0,087 0,540 -87 0,345
0,3 107,5 ОР, Р = 0,5 кН 165 -787 0,073 0,510 -171 0,336
ОР, Р = 1,0 кН 175 -908 0,074 0,520 -202 0,334
ПДО 130 -142 0,123 0,525 -52 0,337
0,5 120 ОР, Р = 0,5 кН 150 -349 0,107 0,530 -111 0,338
ОР, Р = 1,0 кН 172,5 -515 0,117 0,520 -169 0,355
ПДО 120 -46 0,163 0,490 -21 0,357
1,0 112,5 ОР, Р=0,5 кН 130 -92 0,190 0,510 -46 0,380
ОР, Р=1,0 кН 142,5 -145 0,207 0,495 -79 0,380
На рис. 6 и 7 представлены фотографии изломов упрочнённых пневмодробеструйной обработкой образцов диаметром 10 мм с надрезом радиуса Я = 0,5 мм и диаметром 25 мм с надрезом радиуса Я = 0,5 мм. На фотографиях чётко видны нераспространяю-щиеся трещины усталости 2, причём для образцов диаметром
имеет концентрическую форму, так как испытания на усталость проводились при чистом изгибе с вращением. Для образцов диаметром 25 мм (рис. 7) трещины имеют серповидную форму, так как испытания проводились при поперечном изгибе в одной плоскости.
10 мм (рис. 6) трещины
Рис. 6. Фотография излома упрочнённого ПДО образца диаметром 10 мм с надрезом Я=0,5 мм: 1 - надрез, 2 - нераспространяющаяся трещина, 3 - зона долома
Рис. 7. Фотография излома упрочнённого ПДО образца диаметром 25 мм с надрезом Я=0,5 мм: 1 - надрез, 2 - нераспространяющаяся трещина, 3 - зона долома
Из данных табл. 1 и 2 видно, что с увеличением радиуса надреза предел выносливости образцов снижается, так как уменьшаются сжимающие остаточные напряжения в их опасном сечении. Поэтому для сохранения эффекта упрочнения при ОППД с увеличением радиуса надреза необходимо увеличивать толщину слоя гладкой детали с сжимающими остаточными напряжениями.
Для оценки приращения предела выносливости Аа_ за счёт поверхностного упрочнения использовались два критерия влияния остаточных напряжений на предел выносливости при изгибе в случае симметричного цикла. Первым критерием [3, 9 - 11] являются осевые остаточные напряжения
<7™в на поверхности концентратора. Зависимость для определения приращения предела выносливости Аа_1 упрочнённых образцов (деталей) в этом случае имеет вид
Аа_1 = у • \*Г\, (2)
где - коэффициент влияния остаточных напряжений на предел выносливости по разрушению.
Для определения второго критерия в работе [12] использовалось решение задачи [2] о дополнительных остаточных напряжениях в наименьшем сечении образца (детали) после нанесения надреза полуэллиптическо-го профиля на упрочнённую поверхность. Выделив основную часть решения [2], был получен второй критерий аост влияния остаточных напряжений на предел выносливости образца (детали) в виде
^ | 4'Щ , (3)
где <7г (X) - осевые остаточные напряжения в наименьшем сечении образца (детали); X = а/1кр - расстояние от дна концентратора
до текущего слоя, выраженное в долях 1кр;
tкр - критическая глубина нераспростра-
няющейся трещины усталости, возникающей при работе образца (детали) на пределе выносливости.
Критерий аост, который в дальнейшем будем называть критерием среднеинтегральных остаточных напряжений, имеет чётко выраженный физический смысл - это остаточное напряжение на дне нераспростра-няющейся трещины усталости с точностью до постоянного коэффициента, зависящего от радиуса у дна трещины и её глубины. Приращение предела выносливости Аа_1 при изгибе в случае симметричного цикла при использовании критерия аост определяется по следующей формуле:
4ост = /а ' \4ост\, (4)
где у - коэффициент влияния остаточных напряжений по критерию аост на предел выносливости по разрушению.
Значения остаточных напряжений на
поверхности надрезов а™6 и среднеинтегральных остаточных напряжений аост приведены в табл. 1 и 2. По результатам испытаний неупрочнённых и упрочнённых образцов на усталость вычислялись коэффициенты и у/а, значения которых представлены в табл. 1 и 2. Из данных табл. 1 и 2 можно видеть, что оценка влияния поверхностного упрочнения на предел выносливости образцов по первому критерию - остаточным напряжениям на поверхности концентратора
<зп°в - приводит к значительному рассеянию коэффициента уа. Этот коэффициент в настоящем исследовании изменяется в широких пределах: от 0,073 до 0,251 (табл. 1 и 2), то есть изменяется почти в 3,5 раза, что не-
приемлемо для прогнозирования предела выносливости поверхностно упрочнённых деталей.
Оценка влияния поверхностного упрочнения по второму критерию - среднеинтегральным остаточным напряжениям - приводит к существенно меньшему рассеянию соответствующего коэффициента . Это объясняется тем, что критерий среднеинтегральных остаточных напряжений учитывает влияние на сопротивление усталости не только величины сжимающих остаточных напряжений, но и характера их распределения по толщине поверхностного слоя опасного сечения детали (образца). Коэффициент Уа в проведённом исследовании изменяется от 0,334 до 0,390, составляя в среднем 0,357, и практически совпадает с значением = 0,36, установленным в [8] для упрочнённых образцов и деталей с аналогичной концентрацией напряжений.
Необходимо отметить, что на значения коэффициентов уа и не оказывает влияния состояние материала на дне концентраторов. Из данных табл. 1 и 2 видно, что не наблюдается определённой зависимости между величинами коэффициентов уа, и
наклёпанным или ненаклёпанным состоянием материала образцов.
Выводы
1. С увеличением глубины концентратора при опережающем поверхностном пластическом деформировании для сохранения эффекта упрочнения с позиций сопротивления усталости необходимо увеличивать толщину упрочнённого поверхностного слоя деталей с сжимающими остаточными напряжениями.
2. Для прогнозирования предела выносливости поверхностно упрочнённых деталей с концентраторами напряжений следует использовать критерий среднеинтегральных остаточных напряжений аост, который учитывает влияние на сопротивление усталости не только величины сжимающих остаточных напряжений, но и характера их распределения по толщине поверхностного слоя деталей.
3. Влияние сжимающих остаточных напряжений на предел выносливости упрочнённых деталей с концентраторами не
зависит от наклёпанного или ненаклёпанного состояния материала на поверхности опасного сечения.
4. Для определения приращения предела выносливости поверхностно упрочнённых деталей с концентраторами напряжений следует воспользоваться зависимостью (4), среднеинтегральные остаточные напряжения аост в которой вычисляются по
формуле (3) по толщине поверхностного слоя опасного сечения детали, равной критической глубине нераспространяющейся трещины усталости (формула (1)).
Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы» (проект
2.1.1/13944).
Библиографический список
1. Иванов, С.И. Определение дополнительных остаточных напряжений в надрезах на цилиндрических деталях [Текст] / С.И Иванов, МП. Шатунов, В.Ф. Павлов // Вопросы прочности элементов авиационных конструкций. - Куйбышев: КуАИ, 1973. -Вып.60. - С.160-170.
2. Иванов, С.И. Влияние остаточных напряжений на выносливость образцов с надрезом [Текст] / С.И. Иванов, М.П. Шатунов,
В.Ф. Павлов // Вопросы прочности элементов авиационных конструкций. - Куйбышев: КуАИ, 1974. - Вып. 1. - С.88- 95.
3. Иванов, С.И. Влияние остаточных напряжений и наклёпа на усталостную прочность [Текст] / С.И. Иванов, В.Ф. Павлов // Проблемы прочности. - 1976. - №5. - С.25-27.
4. Иванов, С.И. К определению остаточных напряжений в цилиндре методом колец и полосок [Текст] / С.И. Иванов // Остаточные напряжения. - Куйбышев: КуАИ, 1971.
- Вып.53. - С.32-42.
5. Иванов, С.И. К определению остаточных напряжений в цилиндре методом снятия части поверхности [Текст] / С.И. Иванов, И.В. Григорьева//Вопросы прочности элементов авиационных конструкций. - Куйбышев: КуАИ, 1971. - Вып.48. - С.179-183.
6. Филатов, Э.Я. Универсальный комплекс машин для испытания материалов и конструкций на усталость [Текст] / Э.Я. Филатов, В.Э. Павловский - Киев: Наукова Думка, 1985. - 92с.
7. Павлов, В.Ф. Влияние на предел выносливости величины и распределения остаточных напряжений в поверхностном слое деталей с концентратором. Сообщение I. Сплошные детали [Текст] / В.Ф. Павлов // Изв. вузов. Машиностроение. - 19ВВ. - №В. -
С.22-25.
В. Павлов, В.Ф. Oстаточные напряжения и сопротивление усталости упрочнённых деталей с концентраторами напряжений. [Текст] / В.Ф. Павлов, ВА. Кирпичёв, В.Б. Иванов //- Самара: Из-во СИЦ PAH, 200В. -64 с.
9. Кравченко, БА. Oбработка и выносливость высокопрочных материалов. [Текст] / Б .A. Кравченко, К.Ф. Митряев //- Куйбышев: Куйбышевское книжное издательство, 196В.
- 131 с.
10. Серенсен, С.В. К вопросу об оценке сопротивления усталости поверхностно упрочнённых образцов с учётом кинетики остаточной напряжённости [Текст] / С.В. Серенсен, С.П. Борисов, Н.А. Бородин // Проблемы прочности. - 1969. - №2. - С. 3-7.
11. Туровский, М. Л. Концентрация напряжений в поверхностном слое цементированной стали [Текст] / М.Л. Туровский, Н.М. Шифрин // Вестн. машиностроения. — 1970.
- №11. - С. 37-40.
12. Павлов, В.Ф. О связи остаточных напряжений и предела выносливости при изгибе в условиях концентрации напряжений [Текст] / В.Ф. Павлов // Изв. вузов. Машиностроение. - 1986. - №8. - С. 29-32.
INFLUENCE OF NOTCH RADIUS AT ADVANCING SURFACE PLASTIC DEFORMING
ON ENDURANCE LIMIT OF DETAIL
©2011 V. S. Vakuljuk, V. A. Kirpichyev, V. F. Pavlov, A. V. Chirkov
Samara State Aerospace University named after academician S.P. Korolyov (National Research University)
It is experimentally established that with notch size increase at advancing surface plastic forming, the increment of an endurance limit in connection with reduction of compressing residual stresses in the minimal section of detail decreases.
Advancing surface plastic forming, notch radius, residual stresses, endurance limit.
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: sopromat@ssau.ru. Область научных интересов: механика остаточных напряжений.
Кирпичёв Виктор Алексеевич, доктор технических наук, профессор, декан факультета летательных аппаратов, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет). Е-mail: sopro-mat@ssau.ru. Область научных интересов: механика остаточных напряжений.
Павлов Валентин Фёдорович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой сопротивления материалов, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет). Тел.: (846)267-45-27. E-mail: sopromat@ssau.ru. Область научных интересов: механика остаточных напряжений.
Чирков Алексей Викторович, ассистент кафедры сопротивления материалов, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет). E-mail: sopromat@ssau.ru. Область научных интересов: механика остаточных напряжений.
Vakuljuk Vladimir Stepanovich, candidate of technical science, associate professor of department «strength of materials», Samara State Aerospace University named after academician S.P. Korolyov (National Research University). E-mail: sopromat@ssau.ru. Area of research: mechanics of residual stresses.
Kirpichyev Victor Alekseevich, doctor of technical science, professor, decan of aircraft faculty, Samara State Aerospace University named after academician S.P. Korolyov (National Research University). E-mail: sopromat@ssau.ru. Area of research: mechanics of residual stresses.
Pavlov Valentin Fjodorovich, doctor of technical science, professor, Head of strength of materials department, Samara State Aerospace University named after academician S.P. Korolyov (National Research University). Phone: (846)267-45-27. E-mail: sopromat@ssau.ru. Area of research: mechanics of residual stresses.
Chirkov Alexey Viktorovich, assistant of department «strength of materials», Samara State Aerospace University named after academician S.P. Korolyov (National Research University). Email: sopromat@ssau.ru. Area of research: mechanics of residual stresses.
