THE ESTIMATION OF SURFACE HARDENING INFLUENCE ON THE ENDURANCE LIMIT OF CYLINDRICAL PARTS OF VARIOUS DIAMETERS UNDER STRESS CONCENTRATION CONDITIONS

Full Text

Повышение надёжности и долговечности деталей является одной из важнейших проблем, комплексное и системное решение которой, как правило, сопровождает создание и эксплуатацию всех изделий техники. Одним из основных видов разрушения деталей являются усталостные поломки, которые приводят к тяжёлым последствиям, так как возникают внезапно. Важнейшей характеристикой работоспособности деталей двигателей по сопротивлению усталости является предел выносливости, прогнозируемое значение которого в значительной мере зависит от достоверности расчётов, выполненных на этапах проектирования и разработки конструкторской документации. Поэтому выбор конструкции, материалов, геометрических параметров деталей и технологии их изготовления представляет собой весьма важную задачу теории и практики. Одним из резервов повышения качества, надёжности и ресурса является использование при изготовлении деталей современных видов и средств упрочняющей технологии, которая позволяет существенно повысить сопротивление усталости. При изготовлении деталей широко применяются такие методы поверхностного пластического деформирования (ППД), как гидро- и пневмодробеструйная обработка, ультразвуковое упрочнение, обработка микрошариками, алмазное выглаживание, раскатка, обкатка роликом. Влияние технологии упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием проявляется через ряд факторов качества поверхностного слоя, среди которых остаточные напряжения играют основную роль [1]. Особенно важно знать влияние этого фактора на сопротивление усталости в условиях концентрации напряжений, так как усталостные разрушения происходят, как правило, в местах нарушения призматической формы деталей. Поэтому исследование влияния технологических остаточных напряжений на сопротивление усталости в условиях концентрации напряжений является актуальной задачей технологии изготовления и обеспечения прочности деталей. Это позволит ввести остаточные напряжения в стандартные прочностные расчёты, прогнозировать сопротивление усталости деталей, значительно сократить длительные и дорогостоящие испытания на усталость. Для оценки влияния сжимающих остаточных напряжений на предел выносливости поверхностно упрочнённых деталей в настоящее время применяются два критерия. Первым критерием, использованным в работах [1 - 4], являются остаточные напряжения на поверхности опасного сечения детали. Зависимость для определения предела выносливости с применением этого критерия имеет вид , (1) где - предел выносливости неупрочнённой детали, - коэффициент влияния остаточных напряжений по критерию на предел выносливости, - осевые (меридиональные) остаточные напряжения на поверхности концентратора в наименьшем (опасном) сечении детали. Другие компоненты остаточного напряжённого состояния в соответствии с третьей теорией предельных напряжённых состояний не участвуют, так как радиальные напряжения на поверхности концентратора , а окружные являются промежуточными главными напряжениями [5]. Зависимость (1) обычно записывается для приращения предела выносливости . (2) При упрочнении деталей ППД часто наблюдается подповерхностный максимум сжимающих остаточных напряжений, то есть к поверхности деталей напряжения уменьшаются. Этот спад бывает весьма существенным, иногда сжимающие остаточные напряжения снижаются к поверхности до нуля и даже становятся растягивающими [6]. Однако увеличение предела выносливости наблюдается и в этих случаях. Так, например, авторами исследования [7] определялись остаточные напряжения и сопротивление усталости азотированных и упрочнённых роликом стальных цилиндрических образцов. После нагрева и выдержки этих образцов при температуре 150 °С и 200 °С наблюдалось снижение сжимающих остаточных напряжений на поверхности и их увеличение на некотором расстоянии от неё, в результате чего предел выносливости повышался. Всё изложенное выше говорит о том, что критерий оценки влияния поверхностного упрочнения на предел выносливости деталей с концентраторами по остаточным напряжениям должен базироваться на учёте остаточных напряжений не только на поверхности, но и по толщине поверхностного слоя опасного сечения деталей. Это, в свою очередь, интенсифицировало разработку методов расчёта распределения компонент тензора остаточных напряжений по глубине упрочнённого слоя не только при нормальной температуре [8 - 10], но и при повышенных температурах нагружения [8, 11 - 13]. При достаточно больших переменных напряжениях, близких к пределу выносливости, в упрочнённых деталях с концентраторами всегда возникают нераспространяющиеся усталостные трещины [3, 14, 15]. В связи с этой особенностью сопротивления усталости в исследовании [16] было предложено принять за критерий остаточные напряжения на дне нераспространяющейся трещины, в качестве которых следует рассматривать дополнительные остаточные напряжения, возникающие за счёт перераспределения остаточных усилий упрочнённой детали в результате образования трещины. Для определения второго критерия в работе [16] использовалось решение задачи [17] о дополнительных остаточных напряжениях в наименьшем сечении поверхностно упрочнённой детали после нанесения на неё надреза полуэллиптического профиля. Была выделена основная часть решения [17] и предложен второй критерий - критерий среднеинтегральных остаточных напряжений - влияния остаточных напряжений на предел выносливости упрочнённой детали в виде , (3) где - осевые остаточные напряжения в опасном сечении детали, - расстояние от дна концентратора до текущего слоя, выраженное в долях (рис. 1), - критическая глубина нераспространяющейся трещины усталости, возникающей при работе детали на пределе выносливости. Р и с. 1. Деталь с надрезом полукруглого профиля и нераспространяющаяся трещина усталости Критерий имеет чётко выраженный физический смысл - это остаточное напряжение на дне трещины с точностью до постоянного коэффициента, зависящего от радиуса у дна трещины и её глубины. Приращение предела выносливости упрочнённой детали с концентратором напряжений при использовании критерия определяется по следующей формуле: , (4) где - коэффициент влияния остаточных напряжений по критерию на предел выносливости. В работе [18] для упрочнённых различными методами ППД деталей и образцов из различных материалов с различными концентраторами напряжений при растяжении-сжатии, изгибе и кручении было экспериментально установлено, что критическая глубина нераспространяющейся трещины усталости зависит только от размеров опасного поперечного сечения и для цилиндрической детали сплошного сечения определяется соотношением , (5) где - диаметр опасного поперечного сечения детали (рис. 1). Для проверки возможности использования обоих критериев при оценке влияния поверхностного упрочнения на предел выносливости при изгибе в случае симметричного цикла были проведены эксперименты на сплошных цилиндрических упрочнённых и неупрочнённых образцах различного диаметра из стали 20 с круговыми надрезами полукруглого профиля. Исследуемая сталь 20 имела следующие механические характеристики: = 395 МПа, = 522 МПа, = 26,1 %, = 65,9 %, = 1416 МПа. Гладкие сплошные образцы диаметром D = 10 мм и D = 25 мм подвергались пневмодробеструйной обработке (ПДО) дробью диаметром 1,5 - 2,5 мм при давлении воздуха 0,28 МПа в течение 10 минут, а также обкатке роликом диаметром 60 мм и профильным радиусом 1,6 мм при усилии P = 0,5 кН (ОР1) и P = 1,0 кН (ОР2) с подачей 0,11 мм/об и скоростью вращения образца 400 об/мин; гладкие образцы диаметром D = 50 мм - обкатке роликом. Затем на все упрочнённые и неупрочнённые гладкие образцы диаметром D = 10 мм наносились круговые надрезы полукруглого профиля радиуса R = 0,3 мм и R = 0,5 мм; диаметрами D = 25 мм и D = 50 мм - R = 0,3 мм, R = 0,5 мм и R = 1,0 мм. Остаточные напряжения в гладких цилиндрических образцах диаметром D = 10 мм определялись экспериментально методом колец и полосок [19], а также методом удаления части цилиндрической поверхности [20]. Остаточные напряжения в гладких цилиндрических образцах диаметром D = 25 мм и D = 50 мм определялись методом колец и полосок [19]. Распределение осевых остаточных напряжений по толщине поверхностного слоя а гладких образцов представлено на рис. 2. Можно видеть, что сжимающие остаточные напряжения и глубина их залегания при одной и той же упрочняющей обработке в образцах диаметром D = 50 мм несколько больше, чем в образцах диаметром D = 25 мм и образцах диаметром D = 10 мм. Это различие объясняется повышением жёсткости образцов с увеличением размеров их поперечного сечения. Аналогичные закономерности в распределении остаточных напряжений после гидродробеструйной обработки образцов из стали 45 и сплава Д16Т были установлены в работе [18] при изменении диаметра образцов D от 10 мм до 50 мм. а б Рис. 2. Осевые остаточные напряжения в упрочнённых образцах диаметром D = 10 мм (а), D = 25 мм (б) и D = 50 мм (в): 1 - ПДО; 2 - ОР1; 3 - ОР2 в Остаточные напряжения в образцах с надрезами определялись расчётным путём - суммированием дополнительных остаточных напряжений за счёт перераспределения остаточных усилий после опережающего поверхностного пластического деформирования и остаточных напряжений гладких образцов. При этом дополнительные остаточные напряжения вычислялись как аналитическим [17], так и численным методом. Необходимо отметить, что результаты определения дополнительных остаточных напряжений двумя методами имели хорошее совпадение. Распределение осевых остаточных напряжений по толщине поверхностного слоя а в наименьшем сечении образцов с надрезами R = 0,3 мм и R = 0,5 мм приведено на рис. 3, а значения остаточных напряжений на поверхности дна надрезов представлены в таблице. Обращает на себя внимание значительная величина сжимающих остаточных напряжений, достигающих на дне надреза R = 0,3 мм значения МПа (D = 50 мм; ОР2), что существенно выше не только предела текучести, но и предела прочности исследуемой стали 20. В работе [21] было показано, что остаточные напряжения в упрочнённом (наклёпанном) слое могут превышать сопротивление разрыву материала детали на 15 %. В исследуемом случае этот предел не превышен, так как = 1416 МПа. Испытания на усталость при изгибе в случае симметричного цикла неупрочнённых и упрочнённых образцов диаметром D = 10 мм в гладкой части проводились на машине МУИ-6000, диаметром D = 25 мм - на машине УММ-01 [22], диаметром D = 50 мм - на машине УМП-02 [22]; база испытаний - 3·106 циклов нагружения. а б Р и с. 3. Осевые остаточные напряжения в упрочнённых образцах диаметром D = 10 мм (а), D = 25 мм (б) и D = 50 мм (в) с надрезами R = 0,3 мм и R = 0,5 мм после: 1 - ПДО; 2 - ОР1; 3 - ОР2 в Результаты определения предела выносливости представлены в таблице. Упрочнённые образцы, выстоявшие базу испытаний при напряжении, равном пределу выносливости, доводились до разрушения при бόльших напряжениях. На изломах этих образцов были обнаружены нераспространяющиеся трещины усталости, критическая глубина которых соответствует зависимости (5) и приведена в таблице. На рис. 4 представлена фотография излома одного из упрочнённых дробью образцов D = 10 мм с надрезом R = 0,5 мм, на рис. 5 - диаметром D = 25 мм с надрезом R = 0,5 мм. На фотографиях чётко видны нераспространяющиеся трещины усталости 2, причём для образцов диаметром D = 10 мм нераспространяющаяся трещина имеет концентрическую форму (рис. 4), так как эти образцы испытывались на усталость при чистом изгибе с вращением. Для образцов диаметром D = 25 мм трещина имеет серповидную форму, так как испытания на усталость этих образцов проводились при поперечном изгибе в одной плоскости. Из представленных в таблице данных видно, что опережающее поверхностное пластическое деформирование образцов с надрезом пневмодробеструйной обработкой и обкаткой роликом приводит к существенному повышению предела выносливости. Наиболее эффективна для исследованных образцов обкатка роликом, причём с увеличением усилия обкатки с P = 0,5 кН до P = 1,0 кН предел выносливости возрастает. Наблюдаемое явление объясняется бόльшей глубиной залегания сжимающих остаточных напряжений в гладких упрочнённых образцах при увеличении усилия обкатки (рис. 2), результатом чего явилось повышение остаточных напряжений в наименьшем сечении образцов с надрезом. Результаты испытаний образцов на усталость и определения остаточных напряжений D, мм R, мм Неупроч. образцы , МПа Упрочнённые образцы обработка , МПа МПа , мм МПа 10 0,3 110 ПДО 155 -263 0,171 0,203 -126 0,357 ОР1 230 -732 0,164 0,195 -337 0,356 ОР2 267,5 -861 0,183 0,205 -454 0,347 0,5 120 ПДО 137,5 -90 0,194 0,196 -48 0,365 ОР1 187,5 -311 0,217 0,202 -178 0,379 ОР2 250 -517 0,251 0,192 -333 0,390 25 0,3 107,5 ПДО 137,5 -343 0,087 0,540 -87 0,345 ОР1 165 -787 0,073 0,510 -171 0,336 ОР2 175 -908 0,074 0,520 -202 0,334 0,5 112,5 ПДО 130 -142 0,123 0,525 -52 0,337 ОР1 150 -349 0,107 0,530 -111 0,338 ОР2 172,5 -515 0,117 0,520 -169 0,355 1,0 112,5 ПДО 120 -46 0,163 0,490 -21 0,357 ОР1 130 -92 0,190 0,510 -46 0,380 ОР2 142,5 -145 0,207 0,495 -79 0,380 50 0,3 87,5 ОР1 117,5 -898 0,033 1,040 -94 0,322 ОР2 130 -1004 0,042 1,110 -128 0,332 0,5 92,5 ОР1 122,5 -396 0,078 1,077 -82 0,366 ОР2 132,5 -547 0,073 1,024 -112 0,357 1,0 92,5 ОР1 110 -126 0,139 1,073 -46 0,380 ОР2 115 -166 0,136 1,035 -62 0,363 1 2 3 Р и с. 4. Фрагмент излома упрочнённого дробью образца диаметром D = 10 мм надрезом R = 0,5 мм: 1 - надрез, 2 - нераспространяющаяся трещина, 3 - зона долома C увеличением радиуса (глубины) надреза приращение предела выносливости образцов при одной и той же упрочняющей обработке уменьшается, что обусловлено уменьшением сжимающих остаточных напряжений в опасном сечении. Для сохранения эффекта упрочнения при опережающем поверхностном пластическом деформировании с увеличением глубины концентратора необходимо увеличивать толщину поверхностного слоя со сжимающими остаточными напряжениями. 1 2 3 Р и с. 5. Фрагмент излома упрочнённого дробью образца диаметром D = 25 мм с надрезом R = 0,5 мм: 1 - надрез, 2 - нераспространяющаяся трещина, 3 - зона долома Оценка влияния поверхностного упрочнения на предел выносливости образцов по первому критерию - остаточным напряжениям на поверхности надреза - приводит к значительному рассеянию коэффициента . Этот коэффициент в проведённом исследовании изменяется в широких пределах: от 0,033 до 0,251 (см. таблицу), то есть в 7,6 раза, что неприемлемо для прогнозирования предела выносливости поверхностно упрочнённых деталей. Оценка влияния поверхностного упрочнения по второму критерию - среднеинтегральным остаточным напряжениям - приводит к существенно мéньшему рассеянию соответствующего коэффициента . Коэффициент в проведённом исследовании изменяется от 0,321 до 0,390, составляя в среднем 0,356, и незначительно отличается от значения = 0,36, установленного в [18] для упрочнённых образцов и деталей с аналогичной концентрацией напряжений. Таким образом, проведённое исследование показывает, что для прогнозирования предела выносливости поверхностно упрочнённых образцов и деталей различного диаметра с концентраторами напряжений наиболее оправдано применение критерия среднеинтегральных остаточных напряжений . Для определения приращения предела выносливости при изгибе поверхностно упрочнённых деталей различного диаметра следует воспользоваться формулой (4). Критерий при этом вычисляется по зависимости (3) по толщине поверхностного слоя, равной критической глубине нераспространяющейся трещины усталости и определяемой формулой (5). Коэффициент влияния упрочнения на предел выносливости по критерию среднеинтегральных остаточных напряжений для упрочнённых деталей и образцов с надрезами полукруглого профиля можно принять равным 0,36. Выводы 1. Проведённое исследование показало, что при прогнозировании предела выносливости поверхностно упрочнённых цилиндрических деталей различного диаметра (10 - 50 мм) в условиях концентрации напряжений наиболее оправдано использование критерия среднеинтегральных остаточных напряжений . 2. Для прогнозирования предела выносливости упрочнённых деталей с концентраторами использование в качестве критерия остаточных напряжений на поверхности концентратора не представляется возможным, так как соответствующий коэффициент, учитывающий влияние этого критерия на предел выносливости, имеет существенное рассеяние. 3. Для исследованных образцов из стали 20 диаметром 10 - 50 мм экспериментально подтверждена установленная ранее зависимость (5) критической глубины нераспространяющейся трещины усталости от размеров опасного поперечного сечения поверхностно упрочнённых образцов и деталей. 4. Для сохранения эффекта упрочнения при опережающем поверхностном пластическом деформировании с увеличением диаметра необходимо увеличивать толщину поверхностного слоя со сжимающими остаточными напряжениями пропорционально размерам поперечного сечения упрочняемой детали.

About the authors

Vladimir P Radchenko

Samara State Technical University

(Dr. Sci. (Phys.& Math.)), Professor. 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

Valentin V Lunin

Samara State Technical University

Postgraduate Student. 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

Viktor A Kirpichev

S.P. Korolyov Samara State Aerospace University

(Dr. Sci. (Techn.)), Professor. 34, Moskovskoye sh., Samara, 443086, Russian Federation

References

Supplementary files