Влияние вида концентратора на зависимость предела выносливости упрочненных деталей от остаточных напряжений Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 539.373

ВЛИЯНИЕ ВИДА КОНЦЕНТРАТОРА НА ЗАВИСИМОСТЬ ПРЕДЕЛА ВЫНОСЛИВОСТИ УПРОЧНЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ ОТ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

© 2006 В. Ф. Павлов, В. А. Кирпичев Самарский государственный аэрокосмический университет

Исследованы остаточные напряжения и предел выносливости при изгибе в случае симметричного цикла упрочненных дробью, роликом и микрошариками цилиндрических образцов и деталей, изготовленных из различных материалов (30ХГСА, 40Х, Д16Т, сталь 45, 12Х18Н10Т), с концентраторами в виде надрезов, галтелей, напрессованной втулки. При оценке влияния остаточных напряжений на предел выносливости использовался критерий среднеинтегральных остаточных напряжений. Установлено, что этот критерий позволяет прогнозировать приращение предела выносливости упрочненных деталей с различными концентраторами напряжений.

Изучались остаточные напряжения и предел выносливости при изгибе в случае симметричного цикла деталей и образцов с концентраторами в виде надрезов полукруглого профиля, галтелей различного радиуса, напрессованной втулки. Приращение предела выносливости Да _1 упрочненных деталей оценивалось следующей зависимостью:

Ас - = ус

(1)

где у - коэффициент влияния остаточных

напряжений на предел выносливости по разрушению; критерий остаточных напряжений [1]:

(2)

а г (X) - осевые остаточные напряжения в наименьшем сечении детали по толщине по-

верхностного слоя а; X = а^кр - расстояние от дна концентратора до текущего слоя, выраженное в долях їкр; їкр - глубина нерасп-

ространяющейся трещины усталости, возникающей при работе детали на пределе выносливо сти.

Эксперименты проводились на образцах и деталях, изготовленных из различных материалов, механические характеристики которых приведены в табл.1.

На неупрочненные и упрочненные дробью (время обработки - 8 минут, диаметр шариков - 2 мм, давление масла - 0,28 МПа) и роликом (усилие накатывания - 0,5 кН, число оборотов образца - 400 об/мин, подача -0,11 мм/об, диаметр ролика - 60 мм, профильный радиус ролика - 1,6 мм) образцы диаметром 15 мм из стали 30ХГСА безнаклеп-ным способом наносили надрезы полукруглого профиля двух радиусов: Я=0,3 и 0,5 мм. На упрочненные роликом образцы диаметром 25 мм из стали 40Х таким же способом на-

Таблица 1. Механические характеристики материалов

Материал Механические характеристики

а в, МПа а 02, МПа 8, % У, % 5к, МПа

30ХГСА 788 536 18,9 65,9 1484

40Х 751 444 17,6 60,7 1330

Д16Т 557 410 15,0 23,1 728

Сталь 45 710 422 19,7 41,4 1079

12Х18Н10Т 646 281 50,8 65,6 1444

носили надрезы полукруглого профиля радиусом Я=1 мм. Для образцов из стали 40Х усилие накатывания было увеличено до 1,0 кН.

Эпюры осевых аг остаточных напряжений гладких образцов представлены на рис. 1, надрезанных - на рис. 2.

О.,

7'

0.10.2 0.3 ол а №

МПа

О

-100

-200

-300

-Ш0

-500

-600

-700

Рис. 1. Остаточные напряжения в гладких образцах из сталей 30ХГСА(1,2) и 40Х(3):

1 - упрочнение дробью, 2, 3 - упрочнение роликом

/ /

2/ / *

/ 4 ' У У *

о?,

Рис. 2. Остаточные напряжения в образцах с надрезом из сталей 30ХГСА(1-3) и 40Х(4):

1 - упрочнение дробью, Я=0,3 мм; 2 - упрочнение роликом, Я=0,3 мм; 3 - упрочнение роликом, Я=0,5 мм; 4 - упрочнение роликом, Я=1,0 мм

Можно заметить, что в обкатанных образцах с надрезом действуют значительные сжимающие остаточные напряжения, достигающие для стали 30ХГСА 1530 МПа.

Образцы из сталей 30ХГСА, 45, 12Х18Н10Т и сплава Д16Т диаметром 10 мм в гладкой части с галтелью радиуса Я (рис. 3) подвергали упрочнению микрошариками диаметром 0,10...0,15 мм на роторной установке в течение трех минут. Обработка образцов микрошариками осуществлялась перпендикулярно их оси, поэтому упрочнялась лишь цилиндрическая часть поверхности с галтелью, а боковая поверхность оставалась в исходном состоянии, то есть без упрочнения. В связи с этим на основании работы [2] остаточные напряжения в галтели не будут заметно отличаться от напряжений гладкой части образца. Поэтому для вычисления критерия остаточных напряжений по формуле (2)

использовали эпюры осевых напряжений а г гладких образцов, приведенные на рис. 4.

Испытывались также упрочненные роликом (усилие накатывания - 1,0 кН) образ-

Рис. 3. Рабочая часть образца с галтелью

Рис. 4. Остаточные напряжения в гладких образцах после обработки микрошариками:

1 - 30ХГСА, 2 - сталь 45, 3 - 12Х18Н10Т, 4 - Д16Т

цы из стали 40Х с напрессованной втулкой, через которую передавалось усилие.

Результаты определения пределов выносливости при изгибе а_1, расчета критерия остаточных напряжений а ост, измерения глубины нераспространяющейся трещины

усталости Iкр и вычисления коэффициента

у приведены в табл. 2.

Из приведенных в табл. 2 данных видно, что для надрезов и галтелей с различными радиусами коэффициент уа, отражающий влияние упрочнения через критерий остаточных напряжений а ост, изменяется в небольших пределах и равен в среднем

уа = 0,361. Это значение близко к величине

у в других экспериментах [3, 4].

Для вала с напрессованной втулкой ко -эффициент у а заметно (в 1,4 раза) меньше,

чем для других концентраторов. Это объясняется, очевидно, тем, что через напрессованную втулку передается сила [5].

Таким образом, для исследованных типов концентраторов в случае, если через них не передается усилие, в среднем коэффициент уа = 0,36 . Если же через концентратор

передается сила, то коэффициент у будет

меньше и его ориентировочно можно принять равным 0,25.

Таблица 2. Результаты испытаний на усталость и определения остаточных напряжений

Материал Концентратор Я, мм Неупрочнен- Упрочненные образцы

ные образцы Упрочне-а _1, МПа ние а -1, МПа * кр , мм а ост , МПа У а

30ХГСА надрез 0,3 177 5 дробью 255 0,309 -200 0,387

роликом 360 0,314 -507 0,360

надрез 0,5 180 роликом 327,5 0,300 -422 0,350

надрез 0,1 155 микрошариками 180 0,217 -74,8 0,335

Сталь 45 галтель 0,125 117 5 микроша-’ риками 152,5 0,225 -95,3 0,367

12Х18Н10Т галтель 0,15 150 микрошариками 220 0,220 -180 0,389

Д16Т галтель 0,08 42 5 микроша-’ риками 72,5 0,220 -81,5 0,368

40Х надрез 1,0 160 роликом 257,5 0,490 -110 0,334

напрес. втулка 162,5 роликом 285 0,523 -484 0,253

Список литературы

1. Павлов В. Ф. О связи остаточных напряжений и предела выносливости при изгибе в условиях концентрации напряжений// Известия вузов. Машиностроение. - 1986. №8. - С. 29-32.

2. Павлов В. Ф., Столяров А. К. Влияние схем поверхностного деформирования на распределение остаточных напряжений в

области концентратора/ КуАИ. - Куйбышев. - 1985. - 7 С. - Деп. в ВИНИТИ 12.11.85, №1870-В86.

3. 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.

4. Павлов В. Ф. Влияние на предел выносливости величины и распределения остаточных напряжений в поверхностном слое детали с концентратором. Сообщение II. Полые детали// Известия вузов. Машинострое-

ние. - 1988. №12. - С.37-40.

5. Серенсен С. В., Когаев В. П., Шней-дерович Р. М. Несущая способность и расчет деталей машин на прочность. - М.: Машиностроение, 1975. - 488 с.

THE INFLUENCE OF THE CONCENTRATOR TYPE ON THE DEPENDENCE OF ENDURANCE LIMIT OF STRENGTHENED PARTS ON RESIDUAL STRESSES

© 2006 V. F. Pavlov, V. A. Kirpitchyov Samara State Aerospace University

The paper analyses residual stresses and endurance limit under bending in case of asymmetric cycle of cylindrical specimens and parts made of various materials (30XTCA 40X A16T, steel 45, 12X18H10T) with concentrators of various types. The criterion of average-integral residual stresses was applied to estimate the influence of residual stresses on the endurance limit. This criterion makes it possible to predict the increment of the endurance limit of strengthened parts with various stress concentrators.