Использование критерия остаточных напряжений для прогнозирования сопротивления усталости деталей при повышенных температурах

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 621.9. 014. 2
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КРИТЕРИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ УСТАЛОСТИ ДЕТАЛЕЙ ПРИ ПОВЫШЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ
© 2006 В. А. Кирпичев
Самар ский госу дар ственны й аэр окосмический у нивер ситет
В настоящем исследовании изучалась возможность использования критерия среднеинтегральных остаточных напряжений для прогнозирования предела выносливости при повышенной температуре.
Ранее[1] рассматривалось влияние
сжимающих остаточных напряжений на предел выносливости упрочненных деталей с концентраторами напряжений при нор -мальной температуре. Для определения приращения предела выносливости А& amp-к был использован критерий среднеинте-гр альных остаточ ных напряжений
А^,
: уа 7ОСТ |,
где — коэффициент влияния остаточных напряжений на предел выносливости по разрушению-
на рис. 1. На этом же рисунке представлены остаточные напряжения в образцах после их
выдержки в печи при температуре 4000С в течение 100 часов. Видно, что после термоэкспозиции остаточные напряжения уменьшились примерно на 30%.
Значения предела выносливости при изгибе & lt-7Ч, критерия остаточных напряже-(1) ний 7ОСТ и коэффициента представлены
'- ОСТ ^ Z
р.
(2)
— среднеинтегральные остаточные напряжения по толщине поверхностного слоя детали, равной критической глубине нераспро-стр аняющейся тр ещины у стало сти.
В настоящем исследовании изучалась возможность использования кр итер ия (2) для прогнозирования предела выносливости при повышенной температуре. Вначале рассматривалось влияние остаточных напряжений при симметричном цикле на образцах диаметром 7,5 мм из стали ЭИ961 (7 В =1090 МПа, 702=992 МПа, & lt-5=11,3%,
у=67,4%)*. Часть образцов после изготовления подвергалась алмазному выглаживанию (усилие выглаживания — 0,1 кН, частота вращения образца — 160 мин-1, подача -0,05 мм/об, радиус алмазного наконечника -2,0 мм), а затем на все образцы наносились надрезы полукруглого профиля радиуса
0,3 мм. Эпюры осевых аъ остаточных напряжений по толщине поверхностного слоя гладких и надрезанных образцов приведены
Здесь и далее значения механических характеристик приведены при нормальной температуре.
в таблице 1.
20 0 0
в -200 § -400 -600 -8 00 -10 00


/
2- *
-Г* '-і
У
0 0,1 0,2 0,3 а, мм а)
0
а
б
-10 00


/
* ^1
у
/
0 0,05 0,10 0,1 5 а, мм б)
Рис. 1. Остаточные напряжения в гладких образцах (а) и в образцах с надрезом (б) из стали ЭИ961 после алмазного выглаживания:
1 — Т = 20°С- 2 — Т = 400°С
Можно видеть, что коэффициент уа, у читывающий влияние у пр очнения чер ез кр итер ий ср еднеинт егр аль ных ост аточны х напряжений, для стали ЭИ961 и при температуре 400° достаточно близок к значению
уа=0,36 [1]. Поэтому формулу (1) можно использовать для прогнозирования приращения предела выносливости упрочненных деталей при рабочих температурах, заложив в нее оставшиеся после воздействия температуры остаточные напряжения.
Т аблица 1. Результаты испытаний на усталость и определения остаточных напряжений в образцах из стали ЭИ961
Далее проводились эксперименты на образцах прямоугольного поперечного сечения из сплавов ЭИ698ВД (ав = 1120 МПа, а0,2 = 700 МПа, 6 = 4%, у = 6%) и ЖС6У (ав = 1030 МПа, а0,2 = 940 МПа, 6 = 4%, у= 6%) с V — образными надрезами (рис. 2) двух радиусов Я = 0,5 и 1,0 мм, имитирующих елочный замок лопатки турбины ГТД. Размеры образцов представлены в таблице 2.
Рис. 2. Область концентратора образца, имитирующего елочный замок лопатки турбины ГТД
Надрезы на образцы наносились вначале фрезерованием, а затем доводились до нужных размеров профильным шлифовальным кр у гом. Половина обр азцов после шлифования подвергалась ультразвуковому упрочнению (УЗУ) по вариантам режимов, приведенных в таблице 3, где йш — диаметр шариков, г — время упрочнения.
Т аблица 2. Геометрические параметры образцов, имитирующих елочный замок лопатки турбины ГТД
Я, мм Н, мм к, мм і, мм р, град
0,5 4,74 -5,74 2,0 -3,0 1,37 5530'-
1,0 6,10 -7,10 2,0 -3,0 2,05 5530'-
Для опр еделения мер идиональных остаточных напряжений а9 (осевых а2 — в наименьшем сече нии) ис пользовались образцы с пятью идентичными надрезами, отстоящими друг от друга на расстоянии 12 мм, а для испытаний на усталость — с одним надрезом. Исследовались остаточные напряжения как непосредственно после УЗУ, так и после термоэкспозиции при температуре 700 °C в течение 1000 часов. Эпюры остаточных напряжений приведены на рис. 3 — 5, где номера кривых соответствуют вариантам упрочнения таблицы 3.
Т аблица 3. Режимы ультразвукового упрочнения
После шлифования на поверхности дна надреза возникают сжимающие остаточные напряжения до 360 МПа, переходящие на глубине 0,015 — 0,04 мм в растягивающие. Термоэкспозиция не привела к существенному изменению характера распределения остаточных напряжений после шлифования, но в образцах из сплава ЭИ698ВД с Я = 0,5 мм (рис. 3, б) растягивающие напряжения появились на поверхности надреза.
Ультразвуковое упрочнение образцов пр ивело к созданию в области впадин надр езов значительных сжимающих остаточ-
Т емпе-ратура, град С Неупроч-ненные образцы, сг1, МПа У пр очненные образцы
МПа СОСТ, МПа? а
20 230 380 -422 0,356
400 190 270 -242 0,331
Материал я, мм Варианты у пр очнения Режимы УЗУ
й, Ш 5 мм т, с
ЭИ698ВД 0,5 1 2 1,0 0,68 60 40
1,0 3 4 1,3 1,0 60 60
ЖС6У 0,5 5 0,68 80
1,0 6 7 0,68 0,68 60 30
сз
& amp-
20 0 10 0
0
-100
-2 00 -3 00 -4 00
20 0 10 0
0
-1 00
-2 00 -3 00 -4 00


///
'-2
1

0 0,0 5 0,10 а, мм
а)
'-¦'-ч
ч2




0 0,0 5 0,10 а, мм
б)
Рис. 3. Остаточные напряжения в образцах с надрезом после шлифования (а) и последующей термоэкспозиции (б): 1 — ЭИ698ВД- 2 — ЖС6У-
Я = 1,0 мм-
Я = 0,5 мм
0
-200 а -400 § -600
-8 00 — 100 0 — 120 0
0 0,05 0,10 а, мм
а)
-1 00 а -200 § -3 00 -4 00
-5 00 -6 00

к '- У
1 N.
л I* Ч4


0 0,05 0,10 а, мм
б)
Рис. 4. Остаточные напряжения в образцах из сплава ЭИ698ВД с надрезом после УЗУ (а) и последующей термоэкспозиции (б):
ных напряжений с глубиной залегания 0,15… 0,2 мм, достигающих у поверхности концентратора 1200 МПа для сплава ЭИ698ВД (рис. 4, а) и 1300 МПа для сплава ЖС6У (рис. 5, а). В образцах с Я=0,5 мм напряжения несколько выше, а глубина смены знака меньше, чем при Я=1,0 мм, что объясняется большей концентрацией остаточных напряжений при Я=0,5 мм. Одновременное увеличение диаметра упрочняющих шариков с 0,68 до 1,0 мм и времени обработки с 40 до 60 с не изменило максимальных значений остаточных напряжений в образцах из сплава ЭИ698ВД (рис. 4), но привело к созданию более полной эпюры.
0
-2 00 -4 00 § -600
* -8 00 -1 0 00 -1 2 00 -1 4 00


& gt-
7^ //у (/ Ч6

7
1
0 0,05 0,10 а, мм
а)
0
-1 00 -2 00 а -3 00 ^ -4 00 -5 00 -6 00 -700


7'- /
'-6
Ч5


0 0,05 0,10 а, мм
б)
Рис. 5. Остаточные напряжения в образцах из сплава ЖС6У с надрезом после УЗУ (а) и последующей термоэкспозиции (б):
Я = 1,0 мм-
Я = 0,5 мм
Я = 1,0 мм-
Я = 0,5 мм
Наибольшие остаточные напряжения возникают в образцах из сплава ЖС6У с радиусом надреза Я=0,5 мм (рис. 5, а). Увеличение времени обработки образцов с Я=1,0 мм из этого сплава с 30 до 60 с при неизменном диаметре упрочняющих шариков ёш =0,68 мм приводит к повышению как максимальных остаточных напряжений на
0
поверхности концентратора, так и по толщине слоя.
Термоэкспозиция образцов с УЗУ привела к снижению сжимающих остаточных напряжений в 2,5−3 раза, причем в некоторых случаях наблюдается появление под-слойного максимума, обусловленного, очевидно, большим наклепом впадин надрезов шариками меньшего диаметра. В образцах из сплава ЖС6У максимум остаточных напряжений выше, чем в образцах из сплава ЭИ698ВД, однако эпюра менее полная. Наблюдавшиеся различия в остаточных напряжениях образцов, обработанных на различных режимах УЗУ, термоэкспозиция снивелир овала. Исключение составляет
лишь случай упрочнения образцов из сплава ЖС6У по режиму 7 (рис. 5, б), при котором остаточные напр яжения заметно меньше, чем в случае упрочнения по режиму 6. Поэтому следу ет р екомендовать для сплава ЖС6У р ежим 6 как более пр едпочтитель-ный.
Испытания на у сталость обр азцов с единичными У-образными надрезами с ^=0,5 и 1,0 мм были проведены при температуре 700 °C. Испытания осуществлялись пр и р астяжении в слу чае асимметр ичного цикла с средним напряжением 450 МПа для образцов из сплава ЭИ698ВД и 350 МПа -ЖС6У. Значения предельной амплитуды цикла сгаК, критерия остаточных напряжений. ОСТ и коэффициента у. представлены в таблице 4.
Из данных таблицы 4 следу ет, что среднее значение коэффициента у. составляет 0,074. Это значение коэффициента у. незначительно отличается от у. =0,071,
Т аблица 4. Результаты испытаний на усталость и определения остаточных напряжений в образцах из сплавов ЭИ698ВД и ЖС6У
Материал R, мм Вари- ант упроч нения Неупроч- ненные образцы saR, МПа У пр очненные образцы
SaR, МПа sОСТ, МПа Wo
ЭИ698ВД 0,5 1 2 168 192 193 -315 -330 0,076 0,076
1,0 3 4 195 220 218 -340 -320 0,074 0,072
6 и X 1,0 6 7 159 184 177 -335 -250 0,075 0,072
вычисленного по методике работы [2]. Таким образом, проведенные опыты показали, что критерий среднеинтегральных остаточных напряжений может быть применен и в случае работы детали при повышенной температуре, но при этом следует использовать остаточные напряжения детали в конце ее р есур са, котор ые можно опр еделить пу тем тер моэкспозиции.
Список литературы
1. Павлов В. Ф., Бордаков С. А., Вакулюк В. С. и др. Влияние остаточных напряжений на сопротивление усталости упрочненной детали. Всеукраинский научно — технический журнал. 2001. — № 5 (21). — с. 16 — 20.
2. Павлов В. Ф. Кирпичев В.Ф., Минин Б. В. и др. Влияние остаточных напряжений на предел выносливости при асимметричном цикле в случае растяжения -сжатия. // Известия вузов. Машиностроение.
— 1989. — № 9. — с.6 — 10.
USE OF CRITERION AVERAGE RESIDUAL STRESSES FOR FORECASTING A LIMIT OF ENDURANCE OF DETAILS AT THE INCREASED TEMPERATURE
© 2006 V.A. Kirpichev
Samara State Aerospace University
The opportunity of use of criterion average residual stresses for forecasting a limit of endurance of the strengthened details with concentrators is shown at the increased temperature.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой