Прогнозирование сопротивления усталости поверхностно упрочненных гладких деталей

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 621. 787: 539. 319
В. А. Кирпичев, А. С. Букатый, А. В. Чирков
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ УСТАЛОСТИ ПОВЕРХНОСТНО УПРОЧНЕННЫХ ГЛАДКИХ ДЕТАЛЕЙ1
Аннотация. Изучено влияние пневмодробеструйной обработки на остаточные напряжения, предел выносливости и микротвердость плоских образцов из сплава ЭИ698ВД. Установлено, что предел выносливости коррелирует с критерием среднеинтегральных остаточных напряжений поверхностного слоя упрочненных образцов, а микротвердость — с величиной сжимающих остаточных напряжений упрочненной поверхности.
Ключевые слова: поверхностное упрочнение, гладкие образцы, критерий влияния остаточных напряжений, предел выносливости, микротвердость.
Abstract. The article studies the influence of the shotblasting on residual stresses, limit of endurance and micro-hardness of flat specimens made of ЭИ698ВД alloy. It is established that the limit of endurance correlates with the average residual stresses criterion of the surface layer of hardened specimens- micro-hardness correlates with compressing residual stresses of hardened surface as well.
Key words: surface hardening, flat specimens, residual stresses influence criterion, limit of endurance, micro-hardness.
После поверхностного пластического деформирования в поверхностном слое деталей изменяется структура, возникают наклеп и сжимающие остаточные напряжения. Экспериментально установлено [1], что основную роль в повышении сопротивления усталости поверхностно упрочненных деталей играют сжимающие остаточные напряжения. Для оценки влияния поверхностного упрочнения на предел выносливости таких деталей по остаточным напряжениям применяются два критерия. Первым критерием, используемым в работах [1−4], являются остаточные напряжения на поверхности опасного сечения упрочненной детали. Зависимость для определения предела
выносливости при изгибе с-1 в упрочненной детали в этом случае имеет вид
0−1 =0−1 +Ус-
пов 0 z
(1)
где о-1 — предел выносливости неупрочненной детали- уО — коэффициент
влияния поверхностного упрочнения на предел выносливости- О™в — осевые остаточные напряжения на поверхности опасного сечения детали.
Другие компоненты остаточного напряженного состояния в соответствии с третьей теорией предельных напряженных состояний в зависимости (1) не участвуют, так как радиальные остаточные напряжения на поверхности детали равны нулю, а окружные являются промежуточными главными напряжениями [5].
Критерий Оп°в, учитывающий влияние остаточных напряжений на поверхности упрочненной детали, может быть использован для прогнозирова-
1 Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы» (проект 2.1. 1/13 944).
ния предела выносливости по трещинообразованию. Однако, как следует из литературных данных и наших исследований, при расчете предела выносливости по разрушению зависимость (1) непригодна из-за значительного рассеяния коэффициента уО, так как в этом случае не учитывается влияние характера распределения сжимающих остаточных напряжений по толщине поверхностного слоя опасного сечения детали.
В работе [6] для оценки влияния сжимающих остаточных напряжений, возникающих при поверхностном упрочнении, на предел выносливости деталей был предложен второй критерий — критерий среднеинтегральных остаточных напряжений Оост в виде
ности опасного сечения до текущего слоя, выраженное в долях ^ -
критическая глубина нераспространяющейся трещины усталости [7, 8].
Критерий Оост учитывает влияние на предел выносливости не только величины, но и характера распределения сжимающих остаточных напряжений по толщине упрочненного поверхностного слоя детали. Используя этот критерий, представляется возможным прогнозировать предел выносливости
при изгибе в случае симметричного цикла детали о1 за счет поверхностного упрочнения по формуле
гдеО — коэффициент влияния остаточных напряжений на предел выносливости по критерию Оост.
Возможность использования критерия среднеинтегральных остаточных напряжений Оост для прогнозирования предела выносливости поверхностно упрочненных образцов и деталей с концентраторами напряжений изучена в работах [7−9]. В настоящем исследовании предпринята попытка использовать критерий Оост для прогнозирования предела выносливости при изгибе гладких плоских образцов из сплава ЭИ698ВД, упрочненных пневмодробеструй-ной обработкой на различных режимах. В работе исследовалась также микротвердость упрочненных образцов и ее связь с остаточными напряжениями.
Образцы для определения остаточных напряжений (рис. 1) и испытаний на усталость (рис. 2) после шлифования подвергались упрочнению стеклянными и стальными шариками при различном давлении воздуха Р (табл. 1).
Ускоренные испытания на усталость при изгибе в случае симметричного цикла проводились на вибростенде, база испытаний — 2 106 циклов нагружения. Значения предела выносливости о1 представлены в табл. 1. В упрочненных образцах после испытаний на усталость при напряжениях, равных пределу выносливости, были обнаружены нераспространяющиеся
(2)
где О2 (^) — осевые остаточные напряжения в опасном сечении детали (образца) по толщине поверхностного слоя a — ^ = a|tкр — расстояние от поверх-
0−1 =0−1 +?о'-Кст| ,
(3)
трещины усталости, средняя глубина которых составляла ^ = 0,065 мм. На
рис. 3 приведена фотография излома упрочненного образца, на которой видна нераспространяющаяся усталостная трещина 1.
103
яю
о
68,5
25
9,5
Рис. 1. Образец для определения остаточных напряжений
Рис. 2. Образец для испытаний на усталость
Таблица 1
Режимы упрочнения, результаты испытаний на усталость и измерения остаточных напряжений
Вариант упрочнения Тип шариков P, МПа, а 7 С О? _пов Gz, МПа °ост, МПа
1 стеклянные 0,2 395,2 -620 0,100 -529 0,118
2 0,3 395,2 -640 0,097 -595 0,105
3 0,4 411,5 -610 0,129 -637 0,123
4 стальные 0,15 545,4 -440 0,483 -531 0,400
5 0,3 562,6 -280 0,820 -524 0,438
6 0,45 630,2 -260 1,143 -483 0,616
7 0,6 574,8 -220 1,100 -472 0,513
8 исходное состояние — 332,9 — - - -
Рис. 3. Усталостный излом плоского упрочненного дробью образца: 1 — нераспространяющаяся трещина, 2 — зона долома
Осевые остаточные напряжения Gz в образцах по толщине поверхностного слоя a определялись по методике работы [10] и приведены на
рис. 4. В образцах после шлифования (исходное состояние — эпюра 8) действовали растягивающие остаточные напряжения с максимумом 180 МПа на глубине 0,04 мм. При упрочнении стеклянными шариками диаметром 0,2−0,3 мм с увеличением давления воздуха глубина залегания сжимающих остаточных напряжений увеличивается при практически неизменных максимальных значениях, достигающих -670 МПа.
200 100
У / / у V / / / I
/ ч
0,04 0,08& quot-"->-^. 0,12^^/ 0,16 X 0. 20 / а. мм
АХ / У Л
/ / / /
/ //
/ /5 /в ^ -7
/ /2 / ///


-100 §¦ -200%
ь& quot- -300 -400 -500 -600 -700
Рис. 4. Осевые остаточные напряжения о2 в образцах после упрочнения (1−7) и в исходном состоянии (8) (номера эпюр соответствуют номерам вариантов упрочнения в табл. 1)
При упрочнении стальными шариками диаметром 0,18−0,5 мм толщина поверхностного слоя с сжимающими остаточными напряжениями существенно больше, чем при упрочнении стеклянными шариками. С увеличением давления воздуха глубина залегания остаточных напряжений увеличивается при одновременном уменьшении напряжений к поверхности и смещении максимума от поверхности в глубь образца. В табл. 1 приведены значения
остаточных напряжений о™6 на поверхности упрочненных образцов, а также значения коэффициента уо влияния поверхностного упрочнения по критерию оппов. Можно видеть, что коэффициент уо изменяется для всех вариантов упрочнения образцов в 11 раз, а для случаев упрочнения стальными шариками — в 2,3 раза. Изменение коэффициента уо в таких широких пределах не позволяет использовать критерий апов для прогнозирования предела выносливости поверхностно упрочненных гладких деталей.
По методике работы [6] были вычислены среднеинтегральные остаточные напряжения оост по толщине поверхностного слоя образца, равной кри-
тической глубинекр нераспространяющейся трещины усталости. Значения Оост приведены в табл. 1. Здесь же представлены значения коэффициента влияния поверхностного упрочнения уо на предел выносливости по критерию среднеинтегральных остаточных напряжений Оост.
Из данных, приведенных в табл. 1 и на рис. 4, видно, что, несмотря на существенный спад к поверхности сжимающих остаточных напряжений, упрочнение образцов стальными шариками приводит к большему увеличению предела выносливости по сравнению с упрочнением стеклянными шариками. При этом наиболее эффективным из исследованных вариантов упрочнения является вариант № 6.
При упрочнении стальными шариками коэффициент влияния остаточных напряжений уо составляет в среднем 0,492 и практически совпадает со значением уо, вычисленным по формулам работ [11−13] для случая гладкой детали, т. е. без концентратора напряжений. Приняв для случая гладкой детали теоретический ао и эффективный Ко коэффициенты концентрации напряжений равными единице, получим среднее значение коэффициента уо = 0,490. Такое совпадение коэффициента уо объясняется устойчивостью остаточных напряжений в образцах, упрочненных стальными шариками [1]. Коэффициент уо, учитывающий влияние остаточных напряжений о^™ на поверхности образцов, изменяется в значительно больших пределах, чем коэффициент уо.
При упрочнении стеклянными шариками коэффициенто составляет в среднем 0,115, что в четыре раза меньше, чем при упрочнении стальными шариками. Значительно меньшее значениео объясняется снижением сжимающих остаточных напряжений в упрочненных стеклянными шариками образцах под действием переменных напряжений при испытаниях на усталость, что было установлено в работе [14] на основании измерения микротвердости поверхности усталостных образцов до и после испытаний на усталость. Кроме того, из данных табл. 1 и рис. 4 видно, что на предел выносливости образцов основное влияние оказывает не величина сжимающих остаточных напряжений на поверхности, а полнота распределения остаточных напряжений по толщине поверхностного слоя.
На образцах для определения остаточных напряжений (рис. 1) была измерена микротвердость упрочненной поверхности Нцов, а также микротвердость образцов после удаления стравленного слоя астр. В табл. 2 представлены средние значения микротвердости по 12 отпечаткам в каждом случае. Из данных табл. 2 следует, что толщина стравленного слоя при определении остаточных напряжений во всех случаях превышает глубину смены знака остаточных напряжений. В связи с этим можно предположить, что микротвердость — это микротвердость ненаклепанного материала, составляющая в среднем 5505 МПа.
Следует обратить внимание на то, что микротвердость Н™ъ упрочненной стеклянными шариками поверхности выше по сравнению с микротвердостью поверхности, упрочненной стальными шариками. Из данных
табл. 1 и 2 видно, что величина микротвердости Нц0 В следует за значениями
остаточных напряжений на поверхности: чем выше сжимающие остаточные напряжения на поверхности, тем выше микротвердость. Из анализа данных табл. 1 и 2 также видно, что микротвердость поверхности после обработки стеклянными шариками выше, чем после обработки стальными шариками, а предел выносливости, наоборот, выше после обработки стальными, чем стеклянными, шариками. Поэтому микротвердость упрочненной поверхности, в отличие от остаточных напряжений по толщине поверхностного слоя, не может служить объективным критерием оценки влияния упрочнения на предел выносливости детали.
Таблица 2
Результаты измерения микротвердости
Вариант упрочнения Тип шариков р, МПа типов, МПа астр ' мм нподсл п1 ' МПа аОН, мм
1 0,2 6020 0,118 5459 0,100
2 стеклянные 0,3 6038 0,127 5506 0,120
3 0,4 5918 0,169 5375 0,140
4 0,15 5813 0,178 5615 0,150
5 0,3 5802 0,189 5414 0,180
6 стальные 0,45 5768 0,225 5542 0,215
7 0,6 5674 0,234 5578 0,230
8 исходное состояние — 5743 0,118 5550 —
Таким образом, проведенное исследование показало, что критерий среднеинтегральных остаточных напряжений Оост можно использовать и для прогнозирования предела выносливости поверхностно упрочненных гладких деталей, но лишь в том случае, если сжимающие остаточные напряжения не изменяются под действием переменных нагрузок.
Список литературы
1. Иванов, С. И. Влияние остаточных напряжений и наклепа на усталостную прочность / С. И. Иванов, В. Ф. Павлов // Проблемы прочности. — 1976. — № 5. -С. 25−27.
2. Кравченко, Б. А. Обработка и выносливость высокопрочных материалов / Б. А. Кравченко, К. Ф. Митряев. — Куйбышев: Куйбышев. книж. изд-во, 1968. -131 с.
3. Серенсен, С. В. К вопросу об оценке сопротивления усталости поверхностно упрочненных образцов с учетом кинетики остаточной напряженности / С. В. Се-ренсен, С. П. Борисов, Н. А. Бородин // Проблемы прочности. — 1969. — № 2. -С. 3−7.
4. Туровский, М. Л. Концентрация напряжений в поверхностном слое цементированной стали / М. Л. Туровский, Н. М. Шифрин // Вестник машиностроения. -1970. — № 11. — С. 37−40.
5. Иванов, С. И. Влияние остаточных напряжений на выносливость ненаклепан-ного материала / С. И. Иванов, В. Ф. Павлов // Вопросы прикладной механики в авиационной технике. — Куйбышев: КуАИ, 1973. — Вып. 66. — С. 70−73.
6. Павлов, В. Ф. О связи остаточных напряжений и предела выносливости при изгибе в условиях концентрации напряжений / В. Ф. Павлов // Известия вузов. Машиностроение. — 1986. — № 8. — С. 29−32.
7. Павлов, В. Ф. Влияние на предел выносливости величины и распределения остаточных напряжений в поверхностном слое детали с концентратором. Сообщение I. Сплошные детали / В. Ф. Павлов // Известия вузов. Машиностроение. -1988. — № 8. — С. 22−26.
8. Павлов, В. Ф. Влияние на предел выносливости величины и распределения остаточных напряжений в поверхностном слое детали с концентратором. Сообщение II. Полые детали / В. Ф. Павлов // Известия вузов. Машиностроение. -1988. — № 12. — С. 37−40.
9. Павлов, В. Ф. Остаточные напряжения и сопротивление усталости упрочненных деталей с концентраторами напряжений / В. Ф. Павлов, В. А. Кирпичев, В. Б. Иванов — Самара: Изд-во СНЦ РАН, 2008. — 64 с.
10. Биргер, И. А. Остаточные напряжения / И. А. Биргер. — М.: Машгиз, 1963. -232 с.
11. Кирпичев, В. А. Сопротивление усталости упрочненных деталей при различной степени концентрации напряжений / В. А. Кирпичев, А. П. Филатов, Ю. Н. Сургутанова, В. Б. Иванов // Математическое моделирование и краевые задачи: тр. Шестой Всерос. науч. конф. с международным участием. — Ч. 1. Математические модели механики, прочности и надежности элементов конструкций. -Самара: Изд-во СамГТУ, 2009. — С. 126−131.
12. Кирпичев, В. А. Влияние остаточных напряжений на предел выносливости детали при различной степени концентрации / В. А. Кирпичев, А. П. Филатов, О. В. Каранаева, Д. В. Иванов // Проблемы и перспективы развития двигателе-строения: материалы докладов МНТК 24−26 июня 2009 г. — Ч. 2. — Самара: СГАУ, 2009. — С. 178−179.
13. Кирпичев, В. А. Прогнозирование предела выносливости поверхностно упрочненных деталей при различной степени концентрации напряжений / В. А. Кирпичев, А. С. Букатый, А. П. Филатов, А. В. Чирков // Вестник УГАТУ. -2011. — Т. 15, № 4 (44). — С. 81−85.
14. Радченко, В. П. Влияние поверхностного упрочнения и усталостных испытаний на металлофизические характеристики плоских образцов из сплава ЭИ698ВД / В. П. Радченко, А. П. Морозов // Математическое моделирование и краевые задачи: тр. Седьмой Всерос. науч. конф. с международным участием. Ч. 1. Математические модели механики, прочности и надежности элементов конструкций. — Самара: Изд-во СамГТУ, 2010. — С. 287−294.
Кирпичев Виктор Алексеевич доктор технических наук, профессор, кафедра сопротивления материалов, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королева
E-mail: sopromat@ssau. ru
Букатый Алексей Станиславович
кандидат технических наук, старший преподаватель, кафедра технологии машиностроения, Ярославский государственный технический университет
E-mail: bukaty@inbox. ru
Kirpichyov Viktor Alekseevich Doctor of engineering sciences, professor, sub-department of strength of materials, Samara State Aerospace University named after S. P. Korolyov
Bukaty Aleksey Stanislavovich Candidate of engineering sciences, senior lecturer, sub-department of machine building technology, Yaroslavl State Technical University
Чирков Алексей Викторович
кандидат технических наук, ассистент, кафедра сопротивления материалов, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королева
E-mail: sopromat@ssau. ru
УДК 62і. 787: 539. 3і9 Кирпичев, В. А.
Прогнозирование сопротивления усталости поверхностно упрочненных гладких деталей I В. А. Кирпичев, А. С. Букатый, А. В. Чирков II Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. — 20і2. — № 3 (23). — С. і02-і09.
Chirkov Aleksey Viktorovich
Candidate of engineering sciences, assistant, sub-departmet of strength of materials, Samara State Aerospace University named after S. P. Korolyov

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой