Residual stresses and endurance limit of surface hardened specimens with different diameters radius

Full Text

В исследовании изучалось влияние радиуса надреза при опережающем поверхностном пластическом деформировании (ОППД) цилиндрических сплошных образцов диаметром D1 = 25 мм и образцов с отверстием D1/d = 25/15 мм/мм (рис. 1) на предел выносливости при изгибе. Гладкие образцы из стали 20 ( = 522 МПа, = 395 МПа, = 26,1 %, = 65,9 %, = 1416 МПа) подвергались пневмодробеструйной обработке (ПДО) дробью диаметром 1,5 – 2 мм при давлении воздуха 0,25 МПа в течение 10 минут, а также обкатке роликом (ОР) диаметром 60 мм и профильным радиусом 1,6 мм при усилии Р = 0,5 кН (ОР-1) и Р = 1,0 кН (ОР-2) с подачей 0,11 мм/об и скоростью вращения образца 400 об/мин. Затем на все упрочненные и неупрочненные гладкие образцы диаметром 25 мм наносились круговые надрезы полукруглого профиля трех радиусов: R = 0,3 мм, R = 0,5 мм и R = 1,0 мм. Остаточные напряжения в гладких образцах определялись экспериментально методом колец и полосок [1]. Распределение осевых остаточных напряжений по толщине поверхностного слоя а гладких образцов приведено на рис. 2. Из данных рис. 2 можно видеть, что при одной и той же упрочняющей обработке в гладких образцах с отверстием сжимающие остаточные напряжения по максимальной величине примерно одинаковы с напряжениями сплошных образцов, а глубина смены знака этих напряжений для образцов с отверстием меньше, чем для сплошных образцов. Следует также отметить, что значения реактивных растягивающих остаточных напряжений под упрочненным слоем в образцах с отверстием выше, чем в сплошных образцах. Все эти особенности характера распределения остаточных напряжений необходимо учитывать при прогнозировании предела выносливости упрочненных деталей с концентраторами после ОППД. Р и с. 1. Надрез полукруглого профиля и нераспространяющаяся трещина усталости а б Р и с. 2. Осевые остаточные напряжения в упрочненных гладких сплошных образцах диаметром D1 = 25 мм (а) и полых образцах диаметром D1/d = 25/15 мм/мм (б) после: 1 – ПДО; 2 – ОР, Р = 0,5 кН; 3 – ОР, Р = 1,0 кН Из данных рис. 2 следует, что после нанесения на упрочненные ПДО образцы надрезов с радиусами R = 0,3 мм и R = 0,5 мм материал на дне концентраторов находится в ненаклепанном состоянии. Такое же состояние наблюдается после нанесения на упрочненные обкаткой роликом образцы при Р = 0,5 кН надрезов с радиусом R = 0,5 мм. Для образцов с надрезами R = 1,0 мм во всех случаях упрочнения материал на дне концентраторов находится в ненаклепанном состоянии. В остальных случаях обкатки роликом материал на дне надрезов находится в наклепанном состоянии (Р = 0,5 кН – R = 0,3 мм; Р = 1,0 кН – R = 0,3 мм и R = 0,5 мм). Остаточные напряжения в упрочненных образцах с надрезами определялись аналитическим методом – суммированием дополнительных остаточных напряжений за счет перераспределения остаточных усилий при нанесении надреза и остаточных напряжений гладких образцов [2], а также численным методом с использованием программного комплекса Nastran/Patran. Остаточные напряжения в образцах с надрезами, определенные аналитическим и численным методами, имели хорошее совпадение. Распределение осевых остаточных напряжений по толщине поверхностного слоя а наименьшего сечения образцов приведено на рис. 3 и рис. 4. Следует отметить, что задача определения остаточных напряжений в круговых концентраторах цилиндрических образцов после ОППД рассматривалась в ряде работ. В частности, в [3 – 5] она была решена методом конечных элементов для осесимметричной постановки и в результате получены поля остаточных напряжений для осевой, радиальной и тангенциальной компонент тензора напряжений. Анализируя данные рис. 2 – 4, можно видеть, что при практически одинаковых максимальных остаточных напряжениях гладких образцов в образцах с надрезами одного радиуса остаточные напряжения тем выше, чем больше толщина поверхностного слоя гладких образцов со сжимающими остаточными напряжениями. Эта закономерность объясняется концентрацией остаточных напряжений в области дна надреза [2]. а б Р и с. 3. Осевые остаточные напряжения в сплошных (а) и полых (б) упрочненных образцах с надрезами ( ––––– – R = 0,3 мм; – – – – R = 0,5 мм ) после: 1 – ПДО; 2 – ОР, Р = 0,5 кН; 3 – ОР, Р = 1,0 кН а б Р и с. 4. Осевые остаточные напряжения в сплошных (а) и полых (б) упрочненных образцах с надрезами R = 1,0 мм после: 1 – ПДО; 2 – ОР, Р = 0,5 кН; 3 – ОР, Р = 1,0 кН Испытания на усталость при поперечном изгибе в случае симметричного цикла образцов с надрезами проводились на машине УММ-01 [6], база испытаний – 3·106 циклов нагружения. Результаты определения предела выносливости представлены в таблице. Выстоявшие базу испытаний упрочненные образцы при напряжении, равном пределу выносливости, доводились до разрушения при бόльшем напряжении. Во всех упрочненных образцах были обнаружены нераспространяющиеся трещины усталости, средняя глубина которых для каждой партии образцов представлена в таблице. Следует отметить, что значения хорошо согласуются с установленной ранее [7, 8] зависимостью , (1) где D – диаметр опасного сечения упрочненного образца (детали) с концентратором напряжений, d – диаметр отверстия. На рис. 5 представлены фотографии изломов сплошного (рис. 5, а) и полого (рис. 5, б) упрочненных образцов, на которых четко просматриваются нераспространяющиеся трещины усталости 2. 1 2 3 а 1 2 3 б Р и с. 5. Изломы упрочненного ПДО образца диаметром D = 25 мм с надрезом R = 0,5 мм (а) и упрочненного роликом при Р = 1,0 кН образца D/d = 25/15 мм/мм с надрезом R = 0,5 мм (б): 1 – надрез, 2 – нераспространяющаяся трещина, 3 – зона долома Из данных таблицы видно, что с увеличением радиуса надреза приращение предела выносливости образцов за счет упрочнения снижается, так как уменьшаются сжимающие остаточные напряжения в их опасном сечении. Поэтому для сохранения эффекта упрочнения при опережающем поверхностном пластическом деформировании с увеличением глубины надреза необходимо увеличивать толщину слоя гладкой детали со сжимающими остаточными напряжениями. Для оценки приращения предела выносливости за счет поверхностного упрочнения использовались два критерия влияния остаточных напряжений на предел выносливости при изгибе в случае симметричного цикла. Первым критерием [9 – 12] являются осевые остаточные напряжения на поверхности концентратора. Зависимость для определения приращения предела выносливости упрочненных образцов (деталей) в этом случае имеет вид , (2) где – коэффициент влияния остаточных напряжений по критерию на предел выносливости по разрушению. Результаты испытаний на усталость и определения остаточных напряжений D, мм d, мм R, мм Неупроч. образцы , МПа Упрочненные образцы Обработка , МПа МПа , мм , МПа 24,4 0 0,3 107,5 ПДО 137,5 -343 0,087 0,540 -87 0,345 ОР-1 165 -787 0,073 0,510 -171 0,336 ОР-2 175 -908 0,074 0,520 -202 0,334 24,0 0 0,5 112,5 ПДО 130 -142 0,123 0,525 -52 0,337 ОР-1 150 -349 0,107 0,530 -111 0,338 ОР-2 172,5 -515 0,117 0,520 -169 0,355 23,0 0 1,0 112,5 ПДО 120 -46 0,163 0,490 -21 0,357 ОР-1 130 -92 0,190 0,510 -46 0,380 ОР-2 142,5 -145 0,207 0,495 -79 0,380 24,4 15 0,3 95 ПДО 127,5 -307 0,106 0,452 -88 0,368 ОР-1 155 -732 0,082 0,445 -181 0,331 ОР-2 177,5 -861 0,096 0,442 -248 0,333 24,0 15 0,5 110 ПДО 127,5 -124 0,121 0,438 -47 0,372 ОР-1 152,5 -311 0,137 0,442 -128 0,332 ОР-2 182,5 -517 0,140 0,446 -218 0,333 23,0 15 1,0 90 ПДО 95 -29 0,175 0,410 -14 0,357 ОР-1 105 -77 0,195 0,420 -39 0,384 ОР-2 110 -105 0,191 0,420 -53 0,377 Для определения второго критерия в работе [13] использовалось решение задачи [2] о дополнительных остаточных напряжениях в наименьшем сечении образца (детали) после нанесения на упрочненную поверхность надреза полуэллиптического профиля. После выделения основной части решения [2] был получен второй критерий влияния упрочнения на предел выносливости образца (детали) в виде , (3) где – осевые остаточные напряжения в наименьшем сечении образца (детали); – расстояние от дна концентратора до текущего слоя, выраженное в долях ; – критическая глубина нераспространяющейся трещины усталости, возникающей при работе образца (детали) на пределе выносливости. Критерий , который в дальнейшем будем называть критерием среднеинтегральных остаточных напряжений, имеет четко выраженный физический смысл – это остаточное напряжение на дне нераспространяющейся трещины усталости с точностью до постоянного коэффициента, зависящего от радиуса у дна трещины и ее глубины. Приращение предела выносливости при изгибе в случае симметричного цикла с использованием критерия определяется по формуле , (4) где – коэффициент влияния остаточных напряжений по критерию на предел выносливости по разрушению. Значения остаточных напряжений на поверхности надрезов и среднеинтегральных остаточных напряжений приведены в таблице. По результатам испытаний на усталость неупрочненных и упрочненных образцов по формулам (2) и (4) вычислялись коэффициенты и , значения которых представлены в таблице. Из данных таблицы можно видеть, что оценка влияния поверхностного упрочнения на предел выносливости образцов по первому критерию – остаточным напряжениям на поверхности концентратора – приводит к значительному рассеянию коэффициента . Этот коэффициент в настоящем исследовании изменяется в широких пределах – от 0,073 до 0,207, то есть в три раза, что неприемлемо для прогнозирования предела выносливости поверхностно упрочненных деталей. Оценка влияния поверхностного упрочнения по второму критерию – среднеинтегральным остаточным напряжениям – приводит к существенно мéньшему рассеянию соответствующего коэффициента . Это объясняется тем, что критерий среднеинтегральных остаточных напряжений учитывает влияние на сопротивление усталости не только величины сжимающих остаточных напряжений, но и характера их распределения по толщине поверхностного слоя опасного сечения детали (образца). Коэффициент в проведенном исследовании изменяется от 0,331 до 0,384, составляя в среднем 0,350, и практически совпадает с значением = 0,36, установленным в [8] для упрочненных образцов и деталей с аналогичной концентрацией напряжений. Необходимо отметить, что на значения коэффициентов и не оказывает влияния состояние материала на поверхности концентраторов. Из данных таблицы видно, что не наблюдается определенной зависимости между величинами коэффициентов , и наклепанным или ненаклепанным состоянием материала образцов. Выводы Проведенное исследование показало, что с увеличением глубины надреза при опережающем поверхностном пластическом деформировании сжимающие остаточные напряжения в опасном сечении образца (детали) уменьшаются – в результате предел выносливости снижается. Для сохранения эффекта упрочнения необходимо увеличивать толщину поверхностного слоя со сжимающими остаточными напряжениями при ОППД. Оценка влияния поверхностного упрочнения на предел выносливости цилиндрических образцов с круговыми надрезами различного радиуса по критерию остаточных напряжений на поверхности концентратора приводит к существенному рассеянию коэффициента , что затрудняет использование критерия на практике. Оценка влияния поверхностного упрочнения на предел выносливости по критерию среднеинтегральных остаточных напряжений дает приемлемые для практики результаты – коэффициент изменяется в значительно мéньших пределах, чем коэффициент . Поэтому критерий представляется возможным использовать для прогнозирования предела выносливости цилиндрических образцов с круговыми надрезами после опережающего поверхностного пластического деформирования. Для исследованных цилиндрических сплошных и полых образцов диаметром 25 мм из стали 20 экспериментально подтверждена установленная ранее зависимость (1) критической глубины нераспространяющейся трещины усталости от размеров опасного поперечного сечения.

About the authors

Vladimir S Vakulyuk

Samara State Aerospace University named after academician S. P. Korolyov

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

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

Aleksey V Chirkov

Samara State Aerospace University named after academician S. P. Korolyov

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

Svetlana A Mikhalkina

Samara State Aerospace University named after academician S. P. Korolyov

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

References

Supplementary files