CC BY
54
УДК 621.831:621.785.532
В. А. Мамонтов Астраханский государственный технический университет
ШЕРОХОВАТОСТЬ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ, УПРОЧНЯЕМЫХ АЗОТИРОВАНИЕМ,
И СОПРОТИВЛЕНИЕ УСТАЛОСТИ ПРИ НЕСТАЦИОНАРНОМ НАГРУЖЕНИИ
Анализ результатов исследований по изучению выносливости при нестационарных режимах, выполненных отечественными и зарубежными учеными и представленных в [1], показывает, что сведения о закономерностях влияния шероховатости поверхности деталей, упрочняемых азотированием, на результаты усталостного процесса от действий циклических напряжений различной амплитуды в литературе отсутствуют.
Из результатов стационарных испытаний образцов диаметром 7,5 и 20 мм в диапазоне шероховатости Яг 3,2...160 мкм [2] следует, что ограниченные пределы выносливости зависят от шероховатости, уменьшаясь с её увеличением, причем в большей степени на малых базах.
С учетом этого представляется актуальным исследование влияния шероховатости азотируемых образцов на изгибную выносливость при нестационарных режимах, включая режимы с нагрузками выше предела выносливости.
При нестационарных режимах закономерности усталостного повреждения деталей описываются различными гипотезами. Наиболее простой является гипотеза линейного суммирования усталостных повреждений, предложенная Палъмгреном в 1924 г. Согласно линейной гипотезе при действии напряжений постоянной амплитуды а накопление усталостного повреждения происходит пропорционально числу циклов, а коэффициент пропорциональности равен 1/Ы, т. е. величине, обратной долговечности образца при этой амплитуде. После действия п циклов напряжения а усталостное повреждение оценивается величиной п/Ж Таким образом, усталостное повреждение может изменяться от 0 (начало испытания) до 1 (конец испытания).
Если циклическая нагрузка содержит несколько уровней амплитуд напряжений а, то повреждение от каждого уровня оценивается линейной гипотезой как пгЩ; суммарное повреждение от действия всех уровней на-
пряжений равно -, а поломка образца происходит при - = 1;
здесь п - число циклов действия напряжения с амплитудой аг-; N - долговечность при испытании с постоянной амплитудой а,. Величина п, / N называется относительной длительностью, а сумма относительных длитель-
ностей при поломке — - относительной долговечностью.
N
Большой экспериментальный материал, полученный за десятилетия после появления линейной гипотезы, указывает на то, что в общем случае закономерности накопления усталостного повреждения гораздо более сложны. Косвенными показателями сложности усталостного процесса служат результаты наблюдений за различными характеристиками свойств материала, подвергающегося воздействию переменных нагрузок.
Нелинейность усталостного процесса проявляется в отклонении относительной долговечности ^ П- от 1; отклонение в большую сторону не
представляет опасности и идет в запас долговечности. Опасно отклонение в меньшую сторону. В ряде случаев эксперименты показали значения
^ П-, равные нескольким сотым [1].
Условиями применимости линейной гипотезы для описания закономерностей усталостного повреждения при нестационарных режимах являются, во-первых, отсутствие резкой разницы между максимальной и минимальной амплитудами нагрузочного спектра, во-вторых, отсутствие в нагрузочном спектре напряжений, меньших предела выносливости.
Нагружение деталей в реальных условиях не отвечает названным условиям. Эксплуатационный спектр состоит из нагрузок, больших предела выносливости, и нагрузок, меньших предела выносливости, составляющих большую часть спектра.
Наиболее важными параметрами нестационарной циклической нагрузки, влияющими на характеристики усталости, являются:
- уровень напряжений, больших предела выносливости;
- уровень напряжений, меньших предела выносливости;
- суммарное относительное содержание циклов напряжений, больших предела выносливости, в нагрузочном спектре;
- число уровней переменных напряжений в нагрузочном спектре.
Изучение повреждающего действия напряжений, меньших предела
выносливости, проведено в испытаниях двухуровневым спектром; один уровень напряжений - ниже предела выносливости, другой уровень - выше.
Во всех сериях образцов при нестационарных испытаниях, исходя из сравнительного характера испытаний, низший уровень принят равным 0,85 от предела выносливости образцов с шероховатостью Яг 3,2 мкм. Уровни напряжений, больших предела выносливости, составили 1,2а-1 и 1,4а-1 (648 и 760 МПа) с относительным содержанием амплитуд напряжений ^ равным 0,01 и 0,001 соответственно. Отметим, что для двухуровневого нестационарного испытания ^а + ^а = 1.
Для оценки повреждающего действия амплитуды напряжений, меньших предела выносливости, использован критерий относительной долговечности ^ -Пь (для двухуровневого испытания - атах ). Результаты испыта-
Лг Лата%
ний анализировались также по суммарному числу циклов до поломки Л^.
Нестационарные испытания проведены нагружением образцов повторяющимися блоками. Число циклов в одном нагрузочном блоке составило примерно 2106 циклов.
С амплитудой верхнего уровня напряжений атах =1,2 а_ь равной 648 МПа, при относительном содержании циклов = 0,01 испытано по
тах
3 образца каждой шероховатости.
При амплитуде верхнего уровня атах =1,4 а-1, равной 760 МПа, и = 0,001 испытано по 2 образца в исследуемом диапазоне шероховатости.
Зависимости суммарного числа циклов до поломки представлены на рис. 1 в координатах ^ Иг, ^ ^. В этих координатах исследуемые зависимости хорошо аппроксимируются прямыми линиями.
10 100 К2, мкм
Рис. 1. Зависимость логарифма суммарного числа циклов до поломки от шероховатости образцов при нестационарных испытаниях:
• - двухуровневый спектр, атах = 1,2 а-1;
С - двухуровневый спектр, отах =1,4 о_і
Регрессионным анализом получены следующие уравнения эмпирической линии регрессии в виде
1^Е = 8,19 - 0,69 • ^К ; 1^Е = 7,88 - 0,49 • ^К.
После потенционирования их можно записать в виде
^ • И0’69 = 10819,
N^ • Иг°'49 = 107,88.
Адекватность линейных моделей проверена сравнением по критерию Фишера дисперсий внутри системы S12 и относительно эмпирической линии регрессии S22. Значения дисперсий полученные в регрессивном анализе, позволили определить доверительные интервалы для линий регрессии, которые показаны на рис. 2 для атах = 1,2 а-1 и на рис. 3 для атах = 1,4 а-1 для доверительной вероятности 0,9.
^ ^1 V
7,0
6,0____________________________________________________________
10 100 Иг, мкм
Рис. 2. Результаты нестационарных двухуровневых испытаний с амплитудой верхнего уровня атах = 1,2 а-1 в диапазоне шероховатости Иг 3,2____________________160 мкм
1в --Л&
7,0
6,0
10 100 Иг, мк м
Рис. 3. Результаты нестационарных двухуровневых испытаний с амплитудой верхнего уровня атах = 1,4 а-1 в диапазоне шероховатости Иг 3,2_40 мкм
✓ хУ' / / / тС/ / / /
Область для //
доверительной вероятности 0,9
Как следует из указанных зависимостей, при увеличении шероховатости значения суммарного числа циклов до поломки N уменьшаются. При увеличении шероховатости от Яг 3,2 до Яг 10 мкм снижение N составляет 1,27 раза. Повышение шероховатости до Яг 40 мкм приводит к снижению суммарного числа циклов до поломки в 2,4 раза. Дальнейшее повышение высоты микронеровностей до Яг 160 мкм снижает значения Ы при испытании с амплитудой отах = 1,2 а-1 в 16 раз. При испытании образцов с шероховатостью Яг 160 мкм с амплитудой отах = 1,4 а-1 значения N также снижаются, но более резко, что отмечено на рис. 1 штриховыми линиями.
При увеличении шероховатости наблюдается увеличение разброса Ы2, определяемого среднеквадратичным отклонением (рис. 4). Характер этих зависимостей аналогичен зависимости среднеквадратичных отклонений пределов выносливости от шероховатости [2].
Рис. 4. Зависимость среднеквадратичных отклонений суммарного числа циклов до поломки при нестационарных двухуровневых испытаниях от шероховатости в диапазоне Яг 3,2.. .160 мкм
Сравнение результатов испытаний с амплитудой верхнего уровня отах = 1,2 0-1 и отах = 1,4 о_1 показывает, что с увеличением амплитуды напряжений при одновременном уменьшении относительного содержания циклов 1,0 от 0,01 до 0,001 происходит снижение суммарного числа цик-
лов, которое составляет 35-40 %.
Зависимость относительной долговечности от шерохова-
тости, как показано на рис. 5, с увеличением шероховатости образцов несколько возрастает. Это, на первый взгляд несоответствие, можно объяснить следующим.
ЕпШ
0,95
0,90
0,85
0,8
10 100 Яг, мкм
Рис. 5. Зависимость относительной долговечности от шероховатости в диапазоне Яг 3,2.. .160 мкм при нестационарных испытаниях:
• - двухуровневый спектр, атах = 1,2 а_1 С! - двухуровневый спектр, атах = 1,4 а_1
Как указывалось выше, исходя из сравнительного характера испытаний, предел выносливости образцов а-1 всего диапазона шероховатости был принят равным пределу выносливости образцов с шероховатостью Яг 3,2 мкм. Но образцы имеют свои пределы выносливости, которые равны 540, 535, 525, 485 МПа для шероховатости Яг 3,2, 10, 40, 160 мкм соответственно. Верхние уровни напряжений при испытаниях были одинаковы и равнялись 648 и 760 МПа. Следовательно, при испытаниях изменялись отношения атах и °тш . Если у образцов с шероховатостью Яг 3,2 мкм отно-а-1 °-1
шение равно 0,85, то для образцов Яг 160 мкм уже составило 0,95.
а-1 а-1
Отсюда, нижний уровень напряжений, близких к пределу выносливости, способствовал упрочнению и увеличению относительной долговечности ^ —. Это подтверждается данными [1] о том, что предварительная
тренировка образцов напряжениями, близкими к пределу выносливости, может оказывать упрочняющее действие, приводя к увеличению долговечности при последующем переходе на напряжения аг > а_1.
А •
• 4 » 3
С 3 ►
Полученные значения относительных долговечностей в исследуемом диапазоне шероховатости близки к единице. Отклонения, составляющие 0,1-0,15, показывают, что суммирование усталостных повреждений происходит в соответствии с линейной гипотезой. Напряжения, составляющие 0,85-0,95 от предела выносливости образцов, не оказывают повреждающего действия.
Полученные данные могут быть полезны при расчете азотируемых деталей на изгибную выносливость при нестационарных условиях нагружения.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Серенсен С. В. и др. Несущая способность и расчеты деталей машин на прочность. - М.: Машиностроение, 1975. - 488 с.
2. Мамонтов В. А. Изменение норм шероховатости выкружек зубьев для повышения технологичности азотируемых колес судовых планетарных редукторов: Дис. ... канд. техн. наук. - Л., 1984. - 239 с.
Получено 29.12.05
THE SURFACE ROUGHNESS OF DETAILS HARDEN BY NITRATION,
AND FATIGUE STRENGTH AT NONSTATIONARY WEIGHTING
V. A. Mamontov
The research results of surface roughness influence of nitrated samples on the characteristics of bending endurance at nonstation-ary weighting by a two-level spectrum with stresses less or more than the endurance limit are shown in the work.
