The influence of roller strengthening on the endurance limit of samples with a pressurized hub

Full Text

В исследовании изучалось влияние сжимающих остаточных напряжений на предел выносливости поверхностно упрочненных цилиндрических образцов диаметром 25 мм из сталей 20 и 40Х с напрессованной втулкой. Механические характеристики используемых для образцов материалов приведены в табл. 1. Таблица 1 Механические характеристики материалов Материал , МПа , МПа , % , % , МПа Сталь 20 522 395 26,1 65,9 1416 40Х 751 444 17,6 60,7 1330 Влияние поверхностного упрочнения на приращение предела выносливости образцов при изгибе в случае симметричного цикла оценивалось по двум критериям. Во-первых, по критерию осевых остаточных напряжений на поверхности образцов, использованному в работах [1-6]: , (1) где – коэффициент влияния поверхностного упрочнения на предел выносливости по критерию . Во-вторых, оценка производилась по критерию среднеинтегральных остаточных напряжений [7, 8]: , (2) где – коэффициент влияния поверхностного упрочнения на предел выносливости по критерию ; ; (3) – осевые остаточные напряжения в опасном сечении детали (образца) с концентратором по толщине поверхностного слоя ; – расстояние от поверхности детали (образца) до текущего слоя, выраженное в долях ; – критическая глубина нераспространяющейся трещины усталости, возникающей в упрочненном образце с концентратором при работе на пределе выносливости. Сжимающие остаточные напряжения в поверхностном слое образцов создавались обкаткой роликом (ОР) диаметром 60 мм с профильным радиусом 1,6 мм при усилии P = 0,5 кН и P = 1,0 кН. Распределение осевых остаточных напряжений по толщине поверхностного слоя определялось экспериментально методом колец и полосок [9] (рис. 1). Из данных рис. 1 видно, что при обкатке роликом на одних и тех же режимах (P = 1,0 кН) характер распределения сжимающих остаточных напряжений в образцах из стали 40Х существенно отличается от характера распределения остаточных напряжений в образцах из стали 20. Сжимающие остаточные напряжения в образцах из стали 40Х (эпюра 3) значительно выше как по величине, так и по глубине залегания, чем в образцах из стали 20 (эпюра 2), то есть распределение остаточных напряжений в образцах из стали 40Х является более полным. Это различие в характере распределения остаточных напряжений, как будет показано ниже, существенно сказывается на сопротивлении усталости упрочненных обкаткой роликом образцов из сталей 20 и 40Х. Рис. 1. Осевые остаточные напряжения в упрочненных обкаткой роликом образцах из стали 20 (1, 2) и стали 40Х (3) при Р = 0,5 кН (1) и Р = 1,0 кН (2, 3) Следует обратить внимание также на значительную величину наибольших сжимающих остаточных напряжений в образцах из стали 40Х, составляющих -620 МПа и превышающих предел текучести материала (см. табл. 1). Этому факту дано объяснение в работе [10], в которой показано, что наибольшая величина сжимающих остаточных напряжений в упрочненном поверхностном слое деталей может превышать даже сопротивление разрыву материала детали на 15 %. Из данных табл. 1 и рис. 1 видно, что этот предел в исследуемом случае не достигнут. Испытания образцов с напрессованной втулкой на усталость при изгибе в случае симметричного цикла проводились на машине УММ-01 [11], база испытаний – 3·106 циклов нагружения. Значения пределов выносливости образцов представлены в табл. 2. Можно видеть, что приращение предела выносливости упрочненных роликом при Р = 1,0 кН образцов из стали 40Х почти в два раза выше, чем из стали 20, что объясняется бóльшей величиной сжимающих остаточных напряжений и более полным их распределением по толщине поверхностного слоя [8, 12]. На примере образцов из стали 20, обкатанных роликом при Р = 0,5 кН и Р = 1,0 кН, можно проанализировать влияние характера распределения остаточных напряжений по толщине упрочненного поверхностного слоя на предел выносливости. При практически одинаковых осевых остаточных напряжениях на поверхности образцов ( = -220 МПа и = -210 МПа) и наибольших напряжениях ( = -350 МПа и = -360 МПа) бóльшая глубина залегания сжимающих остаточных напряжений при Р = 1,0 кН (а = 0,70 мм), чем при Р = 0,5 кН (а = 0,52 мм), приводит к бóльшему увеличению предела выносливости. Приращение предела выносливости поверхностно упрочненных образцов при Р = 0,5 кН составляет 50 МПа, а при Р = 1,0 кН – 70 МПа, то есть на 40 % выше. Этот результат указывает на то, что распределение сжимающих остаточных напряжений в поверхностно упрочненных деталях должно быть наиболее полным по толщине поверхностного слоя, равной критической глубине нераспространяющейся трещины усталости. Для определения критической глубины нераспространяющейся трещины усталости выстоявшие базу испытаний упрочненные роликом образцы при напряжении, равном пределу выносливости, доводились до разрушения при бóльшем напряжении. На изломах этих образцов просматривались нераспространяющиеся усталостные трещины, средняя глубина которых приведена в табл. 2. На рис. 2 в качестве примера представлена фотография излома образца из стали 20, упрочненного обкаткой роликом при Р = 1,0 кН. На фотографии видна нераспространяющаяся трещина 1, имеющая серповидную форму. Серповидная форма трещины обусловлена тем, что изгиб образцов при испытаниях на усталость осуществлялся в одной плоскости. За критическую глубину трещины в этом случае принимается наибольшая глубина, то есть глубина трещины в наиболее удаленной от нейтральной оси точке опасного сечения образца. Критерий среднеинтегральных остаточных напряжений вычислялся по формуле (3) с использованием распределения остаточных напряжений, приведенного на рис. 1, по толщине поверхностного слоя образцов, равной критической глубине нераспространяющейся трещины усталости. Значения приведены в табл. 2. Коэффициенты влияния поверхностного упрочнения на предел выносливости и определялись по формулам (1) и (2) и также представлены в табл. 2. Таблица 2 Результаты определения остаточных напряжений и испытаний на усталость образцов с напрессованной втулкой Материал Неупрочненные образцы , МПа Упрочненные образцы Обработка , МПа , МПа , мм , МПа Сталь 20 2,33 100 ОР, Р=0,5 кН 150 -220 0,227 0,535 -148 0,338 2,33 ОР, Р=1,0 кН 170 -210 0,333 0,540 -201 0,348 40Х 3,95 162,5 ОР, Р=1,0 кН 285 -520 0,235 0,523 -484 0,253 1 2 Рис. 2. Фрагмент излома упрочненного обкаткой роликом при Р = 1,0 кН образца из стали 20: 1 – нераспространяющаяся трещина усталости; 2 – зона долома Сравнивая значения коэффициента , учитывающего влияние поверхностного упрочнения по критерию , для образцов из стали 20, можно видеть, что величина этого коэффициента для двух вариантов упрочнения различается на 47 %, то есть весьма существенно. Такое различие коэффициента не позволяет с достаточной для практики точностью использовать критерий осевых остаточных напряжений на поверхности опасного сечения для оценки влияния поверхностного упрочнения на предел выносливости детали. Анализируя значения коэффициента , учитывающего влияние поверхностного упрочнения по критерию , можно видеть, что для упрочненных роликом образцов из стали 40Х этот коэффициент меньше, чем для образцов из стали 20. Это различие объясняется бóльшей чувствительностью стали 40Х к концентрации напряжений по сравнению со сталью 20, что подробно исследовано в работе [13]. В табл. 2 приведены значения эффективного коэффициента концентрации напряжений , определенного для вала с напрессованной втулкой по данным работы [14]. Видно, что для образцов из стали 40Х коэффициент в 1,7 раза больше, чем для образцов из стали 20. В работе [13] на основании многочисленных экспериментов была установлена зависимость между коэффициентом влияния и эффективным коэффициентом концентрации напряжений в виде . (4) Значения коэффициента , вычисленные по зависимости (4), составили: для случая образцов из стали 20 – 0,362, для случая образцов из стали 40Х – 0,257, то есть коэффициенты , полученные в настоящем исследовании (см. табл. 2), незначительно отличаются от вычисленных по формуле (4) величин. Следовательно, критерий среднеинтегральных остаточных напряжений может быть использован для прогнозирования предела выносливости поверхностно упрочненных валов с напрессованной втулкой. Выводы 1. На предел выносливости поверхностно упрочненных образцов и деталей существенное влияние оказывает не только величина, но и характер распределения сжимающих остаточных напряжений в их опасном сечении по толщине поверхностного слоя, равной критической глубине нераспространяющейся трещины усталости. 2. Оценка влияния поверхностного упрочнения на предел выносливости по критерию остаточных напряжений на поверхности образцов с напрессованной втулкой приводит к существенному различию коэффициента , что затрудняет использование критерия на практике. 3. Оценка влияния поверхностного упрочнения на предел выносливости по критерию среднеинтегральных остаточных напряжений с учетом эффективного коэффициента концентрации напряжений дает приемлемые для практики результаты – коэффициент изменяется в существенно мéньших пределах, чем коэффициент . Поэтому критерий представляется возможным использовать для прогнозирования предела выносливости поверхностно упрочненных валов с напрессованной втулкой.

About the authors

Valentin F Pavlov

Samara State Aerospace University named after academician S.P. Korolyov (National Research University)

Email: sopromat@ssau.ru
(Dr. Sci. (Techn.)), Professor 34, Moskovskoe shosse, Samara, 443086

Vladimir S Vakulyuk

Samara State Aerospace University named after academician S.P. Korolyov (National Research University)

Email: sopromat@ssau.ru
(Ph.D. (Techn.)), Associate Professor 34, Moskovskoe shosse, Samara, 443086

Vyacheslav P Sazanov

Samara State Aerospace University named after academician S.P. Korolyov (National Research University)

Email: sopromat@ssau.ru
(Ph.D. (Techn.)), Associate Professor 34, Moskovskoe shosse, Samara, 443086

Svetlana A Mikhalkina

Samara State Aerospace University named after academician S.P. Korolyov (National Research University)

Email: sopromat@ssau.ru
Senior Lecture 34, Moskovskoe shosse, Samara, 443086

References

Supplementary files