Hydroblasting influence on polycyclic fatigue of cylindrical parts made of D16T alloy using reference specimen initial deformations evaluation
- Authors: Vakuljuk V.S1, Sazanov V.P1, Pavlov V.F1, Shadrin V.K1
-
Affiliations:
- Samara State Aerospace University named after academician S.P. Korolyov
- Issue: Vol 22, No 2 (2014)
- Pages: 87-93
- Section: Articles
- URL: https://journals.eco-vector.com/1991-8542/article/view/19961
- DOI: https://doi.org/10.14498/tech.2014.2.%25u
- ID: 19961
Cite item
Full Text
Abstract
Full Text
Для контроля технологического процесса упрочнения деталей различными методами поверхностного пластического деформирования (ППД) широко применяются образцы-свидетели. Такие образцы, имеющие определенную форму и размеры, проходят весь технологический цикл обработки вместе со штатной деталью. Как правило, обрабатываемая деталь является дорогостоящим и трудоемким в изготовлении изделием и поэтому такой способ неразрушающего контроля качества упрочнения имеет перед другими способами неоспоримые преимущества в первую очередь с экономической точки зрения, особенно в условиях серийного производства. В основе использования образцов-свидетелей лежит предположение о том, что обрабатываемые совместно деталь и образец-свидетель при ППД получают одинаковые первоначальные деформации. Были проведены исследования результатов испытаний на усталость и результатов экспериментального определения остаточных напряжений по толщине упрочненного поверхностного слоя цилиндрических деталей из алюминиевого сплава Д16Т диаметром D = 10 мм, D = 15 мм, D = 25 мм и D = 40 мм, приведенных в работе [1]. Гладкие детали и образцы-свидетели подвергались гидродробеструйной обработке (ГДО) в течение 8 минут дробью диаметром 2 мм при давлении масла 0,28 МПа. В качестве образцов-свидетелей использовались втулки с наружным диаметром 51,5 мм и внутренним 45 мм, которые применяются для определения остаточных напряжений по толщине упрочненного поверхностного слоя методом колец и полосок [2]. На рис. 1 приведена эпюра осевых остаточных напряжений по толщине поверхностного слоя а в образце-свидетеле после ГДО, обработанном одновременно с гладкими деталями различного диаметра. Расчетная часть исследований выполнена методом конечно-элементного моделирования с использованием комплекса PATRAN/NASTRAN. Конечно-элементные модели в осесимметричном варианте представляли собой четверть сечения детали с наложением соответствующих граничных условий. Для моделирования применялся плоский треугольный элемент типа 2D-Solid с шестью узлами. Рис. 1. Распределение осевых остаточных напряжений в образце-свидетеле (втулка диаметром 51,5×45 мм) после ГДО Моделирование остаточных напряжений по толщине упрочненного поверхностного слоя осуществлялось методом термоупругости [3-8]. При проведении расчетов были приняты следующие допущения: - все детали и втулки (образцы-свидетели) при упрочнении получали одинаковые первоначальные деформации; - первоначальные деформации являлись изотропными; - деформации сдвига малы и при определении первоначальных деформаций они не учитывались. Расчеты проводились в следующей последовательности: - определение первоначальных деформаций в образце-свидетеле (втулка диаметром 51,5×45 мм); - расчет распределения остаточных напряжений в гладких деталях по полученным значениям первоначальных деформаций образца-свидетеля; - сравнение расчетных распределений остаточных напряжений в деталях с их экспериментальными распределениями. При определении первоначальных деформаций в качестве исходных данных использовалось экспериментальное распределение осевых остаточных напряжений по толщине упрочненного поверхностного слоя образца-свидетеля (втулки), приведенное на рис. 1. Установлено, что при принятых допущениях для получения совпадения распределения расчетных по первоначальным деформациям и экспериментальных значений осевых остаточных напряжений в образце-свидетеле достаточно проведения трех итераций. Следующий этап расчетов выполнялся на конечно-элементных моделях исследуемых гладких деталей диаметром D = 10 мм, D = 15 мм, D = 25 мм и D = 40 мм по первоначальным деформациям образца-свидетеля. При оценке приращения предела выносливости определяющими являются осевые остаточные напряжения [1, 9, 10], поэтому сравнение расчетных и экспериментальных распределений остаточных напряжений для исследуемых деталей было выполнено по осевой компоненте. а б в г Рис. 2. Распределение осевых остаточных напряжений после ГДО, определенных экспериментально (1) и расчетом (2) в гладких деталях диаметром: а - D = 10 мм, б - D = 15 мм, в - D = 25 мм, г - D = 40 мм На рис. 2 представлены экспериментальные [1] и расчетные эпюры осевых остаточных напряжений по толщине а поверхностного слоя гладких деталей. Можно видеть, что расчетные значения остаточных напряжений незначительно (до 7 %) отличаются от экспериментальных. Поэтому представляется возможным, используя первоначальные деформации образца-свидетеля, расчетным методом определить остаточные напряжения в детали, упрочненной одновременно с этим образцом. Полученные расчетом распределения остаточных напряжений после гидродробеструйной обработки в гладких деталях использовались для расчета распределения остаточных напряжений в деталях с круговым надрезом полукруглого профиля радиуса R = 0,3 мм, нанесенным на гладкую деталь после упрочнения ГДО, то есть после опережающего поверхностного пластического деформирования (ОППД). Остаточные напряжения в деталях с надрезом рассчитывались двумя методами: аналитическим [11] и численным с использованием программного комплекса PATRAN/NASTRAN [5]. Следует отметить, что остаточные напряжения, определенные двумя методами, имели хорошее совпадение. На рис. 3 приведены экспериментальные [1] и расчетные эпюры осевых остаточных напряжений по толщине а поверхностного слоя опасного сечения деталей с надрезами после ОППД. Можно видеть, что распределения остаточных напряжений, полученные по экспериментальным и расчетным эпюрам гладких деталей, отличаются по наибольшим значениям не более 8 % (рис. 3, а - D = 10 мм). а б в г Рис. 3. Распределение осевых остаточных напряжений в деталях с надрезом R = 0,3 мм, вычисленных по экспериментальным (1) и расчетным (2) данным: а - D = 10 мм, б - D = 15 мм, в - D = 25 мм, г - D = 40 мм Прогнозирование влияния поверхностного упрочнения на приращение предела выносливости деталей с надрезами при изгибе в случае симметричного цикла производилось по критерию среднеинтегральных остаточных напряжений [1, 9] , (1) где - коэффициент влияния поверхностного упрочнения на предел выносливости по критерию ; ; (2) - осевые остаточные напряжения в опасном сечении детали с концентратором по толщине поверхностного слоя ; - расстояние от поверхности опасного сечения детали до текущего слоя, выраженное в долях ; - критическая глубина нераспространяющейся трещины усталости, возникающей в упрочненной детали с концентратором напряжений при работе на пределе выносливости. Критическая глубина нераспространяющейся трещины усталости, приведенная в табл. 1, определялась по зависимости, установленной на основании многочисленных экспериментов в работах [1, 12], , (3) где - диаметр опасного сечения детали с концентратором напряжений. Значения критерия среднеинтегральных остаточных напряжений вычислялись по формуле (2) по толщине поверхностного слоя опасного сечения деталей, равной , с использованием расчетных распределений остаточных напряжений, приведенных на рис. 3, и содержатся в таблице. Коэффициент влияния поверхностного упрочнения на предел выносливости по критерию рассчитывался по зависимости, установленной в работе [13]: , (4) где - теоретический коэффициент концентрации напряжений, который определялся по графикам справочника [14] и представлен в таблице. , мм , мм , мм , МПа , МПа , МПа Расхождение, % 10 9,4 0,203 -208 2,7 0,393 81,6 70 17 15 14,4 0,311 -166 2,8 0,385 63,8 57,5 11 25 24,4 0,527 -123 2,9 0,377 46,4 45 3 40 39,4 0,851 -78 3,1 0,361 28,2 30 6 Далее по формуле (1) вычислялись расчетные значения приращений предела выносливости упрочненных ГДО деталей с надрезами (см. таблицу) и сравнивались с опытными значениями , приведенными в работе [1]. Из данных таблицы видно, что расхождение между расчетными и опытными значениями приращения предела выносливости не превышает 17 %, поэтому, используя результаты определения остаточных напряжений в образцах-свидетелях, представляется возможным прогнозировать предел выносливости поверхностно упрочненных деталей в условиях концентрации напряжений с приемлемой для многоцикловой усталости точностью. Выводы 1. Апробированный в настоящем исследовании метод расчета остаточных напряжений в цилиндрических деталях диаметром 10-40 мм из сплава Д16Т после гидродробеструйной обработки по первоначальным деформациям образца-свидетеля показал, что расхождение между расчетными и экспериментальными значениями остаточных напряжений в гладких деталях не превышает 7 %, в деталях с концентраторами - 8 %. 2. При оценке влияния упрочнения гидродробеструйной обработкой на многоцикловую усталость при изгибе деталей из сплава Д16Т с концентраторами установлено, что использование рассчитанных по первоначальным деформациям образца-свидетеля распределений остаточных напряжений позволяет прогнозировать приращение предела выносливости с точностью до 17 %. 3. Для прогнозирования предела выносливости поверхностно упрочненной детали с концентратором напряжений вначале необходимо определить первоначальные деформации образца-свидетеля, обработанного одновременно с упрочняемой деталью. По первоначальным деформациям образца-свидетеля производится расчет остаточных напряжений в опасном сечении детали. Критическая глубина нераспространяющейся трещины усталости вычисляется по формуле (3), критерий среднеинтегральных остаточных напряжений - по формуле (2), коэффициент влияния упрочнения на предел выносливости - по зависимости (4). После определения , , по формуле (1) рассчитывается приращение предела выносливости поверхностно упрочненной детали с концентратором напряжений.About the authors
Vladimir S Vakuljuk
Samara State Aerospace University named after academician S.P. Korolyov
Email: sopromat@ssau.ru
(Ph.D. (Techn.)), Associate Professor 34, Moskovskoe shosse, Samara, 443086, Russian Federation
Vyacheslav P Sazanov
Samara State Aerospace University named after academician S.P. Korolyov
Email: sopromat@ssau.ru
(Ph.D. (Techn.)), Associate Professor 34, Moskovskoe shosse, Samara, 443086, Russian Federation
Valentin F Pavlov
Samara State Aerospace University named after academician S.P. Korolyov
Email: sopromat@ssau.ru
(Dr. Sci. (Techn.)), Professor 34, Moskovskoe shosse, Samara, 443086, Russian Federation
Valentin K Shadrin
Samara State Aerospace University named after academician S.P. Korolyov
Email: sopromat@ssau.ru
(Ph.D. (Techn.)), Associate Professor 34, Moskovskoe shosse, Samara, 443086, Russian Federation
References
- Павлов В.Ф., Кирпичёв В.А., Вакулюк В.С. Прогнозирование сопротивления усталости поверхностно упрочненных деталей по остаточным напряжениям. - Самара: Издательство СНЦ РАН, 2012. - 125 с.
- Иванов С.И. К определению остаточных напряжений в цилиндре методом колец и полосок // Остаточные напряжения. - Куйбышев: КуАИ, 1971. - Вып. 53. - С. 32-42.
- Биргер И.А. Остаточные напряжения. - М.: Машгиз, 1963. - 232 с.
- Стружанов В.В. Об остаточных напряжениях после прокатки и расслоении двухслойных полос // Вестник Самарского государственного технического университета. Сер. Физ.-мат. науки. - 2010. - № 5(21). - С. 55-63.
- Сазанов В.П., Чирков А.В., Самойлов В.А., Ларионова Ю.С. Моделирование перераспределения остаточных напряжений в упрочненных цилиндрических образцах при опережающем поверхностном пластическом деформировании // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. - 2011. - № 3(27). Ч. 3. - С. 171-174.
- Павлов В.Ф., Столяров А.К., Вакулюк В.С., Кирпичёв В.А. Расчет остаточных в деталях с концентраторами напряжений по первоначальным деформациям. - Самара: Изд-во СНЦ РАН, 2008. - 124 с.
- Вакулюк В.С. Исследование влияния толщины упрочненного слоя на остаточные напряжения во впадине концентратора методом первоначальных деформаций // Вестник Самарского государственного технического университета. Сер. Физ.-мат. науки. - 2010. - № 1 (20). - С. 222-225.
- Саушкин М.Н., Радченко В.П., Павлов В.Ф. Метод расчета полей остаточных напряжений и пластических деформаций в цилиндрических образцах с учетом анизотропии поверхностного упрочнения // Прикладная механика и техническая физика. - 2011. - Т. 52. - № 2. - С. 173-182.
- Павлов В.Ф. О связи остаточных напряжений и предела выносливости при изгибе в условиях концентрации напряжений // Известия вузов. Машиностроение. - 1986. - № 8. - С. 29-32.
- Радченко В.П., Афанасьева О.С. Методика расчета предела выносливости упрочненных цилиндрических образцов с концентраторами напряжений при температурных выдержках в условиях ползучести // Вестник Самарского государственного технического университета. Сер. Физ.-мат. науки. - 2009. - № 2 (19). - С. 264-268.
- Иванов С.И., Шатунов М.П., Павлов В.Ф. Влияние остаточных напряжений на выносливость образцов с надрезом // Вопросы прочности элементов авиационных конструкций: Межвузовский сборник. - Куйбышев: КуАИ, 1974. - Вып. 3. - С. 88-95.
- 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. 22-26.
- Кирпичёв В.А., Филатов А.П., Каранаева О.В., Чирков А.В., Семёнова О.Ю. Прогнозирование предела выносливости поверхностно упрочненных деталей при различной степени концентрации напряжений // Труды МНТК «Прочность материалов и элементов конструкций». - Киев: ИПП им. Г.С. Писаренко НАНУ, 2011. - С. 678-685.
- Петерсон Р.Е. Коэффициенты концентрации напряжений. - М.: Мир, 1977. - 304 с.