CC BY
49
УДК 621.787:539.319
СОПРОТИВЛЕНИЕ УСТАЛОСТИ ДЕТАЛИ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ТОЛЩИНЫ УПРОЧНЁННОГО СЛОЯ ПРИ ОПЕРЕЖАЮЩЕМ ПОВЕРХНОСТНОМ ПЛАСТИЧЕСКОМ ДЕФОРМИРОВАНИИ
©2012 В. С. Вакулюк
Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва
(национальный исследовательский университет)
Установлено, что при опережающем поверхностном пластическом деформировании предел выносливости детали с концентратором тем выше, чем больше толщина упрочнённого поверхностного слоя со сжимающими остаточными напряжениями.
Опережающее поверхностное пластическое деформирование, толщина упрочнённого слоя, остаточные напряжения, деталь с концентратором, предел выносливости.
Исследовалось влияние толщины упрочнённого поверхностного слоя при опережающем поверхностном пластическом деформировании (ОППД) на предел выносливости образцов из стали 20 (ов = 522 МПа, сг0 2 = 395 МПа,
8 = 26,1%, у/ = 65,9 %, ^ = 1416 МПа) в условиях концентрации напряжений. Для создания упрочнённого слоя различной толщины гладкие образцы диаметром £) = 10 мм и И = 25 мм подвергались пнев-модробеструйной 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 и Р = 1,0 кН с подачей 0,11 мм/об и скоростью вращения образца 400 об/мин. Остаточные напряжения в гладких образцах определялись методом удаления части цилиндрической поверхности [1], а также методом колец и полосок [2]. Распределение осевых сг_ остаточных напряжений по толщине а поверхностного слоя гладких образцов приведено на рис. 1.
Из приведённых на рис. 1 эпюр остаточных напряжений можно видеть, что в образцах диаметром П = 25 мм сжимающие остаточные напряжения и глубина их залегания несколько выше, чем в образцах диаметром И = 10 мм, за счёт повышения жёсткости образцов с увеличением диаметра. Максимальные сжимающие остаточные напряжения после использованных в исследовании методов поверхностного упрочнения различаются незначительно, составляя после
пневмодробеструйной обработки - 338 МПа (В = 10 мм) и - 342 МПа (В = 25 мм), а после обкатки роликом - 362 МПа (/) = 10 мм) и - 364 МПа (/) = 25 мм). Однако толщина слоя со сжимающими остаточными напряжениями (толщина упрочнённого слоя) различается существенно, составляя после ПДО 0,29 мм (П = 10 мм) и 0,33 мм (П = 25 мм), после ОР при Р = 0,5 кН - 0,48 мм (£> = 10 мм) и 0,52 мм (П = 25 мм), а после ОР при Р = 1,0 кН - 0,69 мм (£> = 10 мм) и 0,71 мм (£> = 25 мм). Следовательно, толщина упрочнённого слоя со сжимающими остаточными напряжениями после обкатки роликом при Р = 1,0 кН превышает соответствующую толщину слоя после пневмодробеструйной обработки в 2,2 - 2,4 раза.
На все неупрочнённые и упрочнённые гладкие образцы фасонным резцом наносились круговые надрезы полукруглого профиля двух радиусов: Я = 0,3 мм и Я = 0,5 мм.
Остаточные напряжения в упрочнённых образцах с надрезами определялись как аналитическим, так и численным методами -суммированием дополнительных остаточных напряжений, возникающих за счёт перераспределения остаточных усилий образцов при нанесении надрезов, и исходных остаточных напряжений [3].
Распределение осевых сг_ остаточных напряжений по толщине а поверхностного слоя наименьшего сечения образцов с надрезами приведено на рис. 2.
Из приведённых на рис. 2 данных видно, что в упрочнённых роликом образцах с надрезами сжимающие остаточные напря-
жения существенно выше как на поверхности, так и по толщине поверхностного слоя наименьшего сечения, чем в образцах, упрочнённых пневмодробеструйной обработкой. Такое различие в распределении оста-
I
100
-100
О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
а, мм
Ъ"-200
-300
-400
/ / / / / ' /
' 1 2 7 // /
\\ ч А / / / // л
\\ / / / / У
точных напряжений образцов с надрезами обусловлено тем, что толщина упрочнённого поверхностного слоя гладких образцов после обкатки роликом больше, чем после пнев-модробеструйной обработки (рис. 1).
, 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 а, мм
й
100
-100
Ь^-200
-300
-400
/ / / //
ц '/5
1 1 // //
/
а б
Рис. 1. Осевые <7, остаточные напряжения в гладких образцах диаметром Б = 10 мм (а) и О =25 мм (б) после: 1 - ПДО; 2-ОР, Р =0,5 кН; 3-ОР, Р = 1,0 кН
О 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 а, мм
й
7< ^--- ---- ---- ---- ----
._—— ___—'
2\ * —-
-200
-400
-600
-800
-1000
а б Рис. 2. Осевые <Т_ остаточные напряжения в образцах диаметром В = 10 мм (а) и В = 25 мм (б) с надрезами (--Я =0,3 мм;----Я = 0,5 мм) после: 1-ПДО; 2-ОР, Р = 0,5 кН; 3-ОР, Р =1,0кН
Испытания на усталость при изгибе в случае симметричного цикла образцов с надрезами диаметром В = 10 мм проводились на машине МУИ-6000, диаметром В = 25 мм -на машине УММ-01 [4], база испытаний -3-106 циклов нагружения. Результаты определения предела выносливости сг_1 приведены в табл. 1. Из приведённых в табл. 1 данных следует, что предел выносливости образцов с надрезами после обкатки роликом существенно выше, чем после пневмодробе-струйной обработки.
При радиусе надреза 7? =0,3 мм предел выносливости сг_1 образцов после ОР (Р=1,0 кН) повысился в 2,4 (В = 10 мм) и в
1,6 (Р = 25 мм) раза, а после ПДО только в 1,4 (В = 10 мм) и в 1,3 (В = 25 мм) раза. С увеличением радиуса надреза до 0,5 мм это различие повышается. Следовательно, при увеличении толщины упрочнённого поверхностного слоя гладких образцов при ОППД предел выносливости образцов с надрезами, нанесёнными на эти гладкие образцы, повышается.
В упрочнённых образцах после испытаний на усталость были обнаружены ^распространяющиеся трещины усталости, которые для образцов диаметром В = 10 мм имели концентрическую, а для образцов диаметром В = 25 мм - серповидную форму. Концентрическая форма трещины объясня-
ется тем, что испытания образцов диаметром £) = 10 мм проводились при изгибе с вращением образца, а диаметром П = 25 мм - при изгибе в одной плоскости.
На рис. 3, 4 представлены фотографии изломов образцов диаметром И = 10 мм (рис. 3) и диаметром П = 25 мм (рис. 4), на которых видны нераспространяющиеся трещины усталости 2.
Средняя критическая глубина трещин I в образцах, испытанных при напряжени-
ях, равных пределу выносливости, составляла при £) = 10 мм I = 0,201 мм (Я = 0,3 мм)
и I = 0,197 мм (Я = 0,5 мм), при П = 25 мм tкp = 0,525 мм (К = 0,3 мм) и tкp = 0,523 мм (Я = 0,5 мм), что соответствует данным работы [5] о зависимости величины I от диаметра опасного сечения образцов и деталей, изготовленных из других сталей и сплавов.
Таблица 1. Результаты испытаний на усталость образцов с надрезами
Диаметр образца Б. мм Надрез Я, мм Неупрочн. обр-цы О ,, МПа Упрочнённые образцы
обработка О ,, МПа а о™, МПа
10 0,3 110 пдо 155 -126 0,357
ОР, Р = 0,5 кН 230 -337 0,356
ОР, Р = 1,0 кН 267,5 -454 0,347
0,5 120 пдо 137,5 -48 0,365
ОР, Р = 0,5 кН 187,5 -178 0,379
ОР, Р = 1,0 кН 250 -333 0,390
25 0,3 107,5 пдо 137,5 -87 0,345
ОР, Р = 0,5 кН 165 -171 0,336
ОР, Р = 1,0 кН 175 -202 0,334
0,5 112,5 пдо 130 -52 0,337
ОР, Р = 0,5 кН 150 -111 0,338
ОР, Р = 1,0 кН 172,5 -169 0,355
Рис. 3. Излом упрочнённого дробью образца диаметром Б = 10 мм с надрезом Я. = 0,5 мм: 1 - надрез, 2 - нераспространяющаяся трещина, 3 - зона долома
с надрезами проводилась по критерию сред-неинтегральных остаточных напряжений
[5, 6]:
Рис. 4. Излом упрочнённого дробью образца диаметром Р) = 25 мм с надрезом Я = 0,5 мм: 1 - надрез, 2 - нераспространяющаяся трещина, 3 - зона долома
Оценка влияния поверхностного упрочнения на предел выносливости образцов
ол/Г^Г
где сг_ (¿;) - осевые остаточные напряжения в наименьшем сечении образца (детали) по толщине а поверхностного слоя; £ = а//1:р -
расстояние от дна надреза до текущего слоя, выраженное в долях 11:р; 11:р - критическая
глубина нераспространяющейся трещины усталости, возникающей при работе образца (детали) на пределе выносливости.
Приращение предела выносливости упрочнённых образцов Асч при использовании критерия оост определялось по зависимости
где у/а - коэффициент влияния остаточных напряжений на предел выносливости по раз-
рушению.
Значения критерия среднеинтеграль-ных остаточных напряжений оост и коэффициента у/а приведены в табл. 1. Можно видеть, что коэффициент у/а имеет небольшое
рассеяние, составляя в среднем для образцов диаметром £) = 10 мм значение 0,366, для образцов диаметром П = 25 мм - 0,341, и незначительно отличается от значения ¡//~ет=0,36, установленного в [5] для упрочнённых образцов и деталей с аналогичной концентрацией напряжений. Меньшее в среднем значение коэффициента у/а для образцов диаметром П = 25 мм объясняется, очевидно, большей концентрацией напряжений с увеличением диаметра образца при одном и том же радиусе полукруглого надреза, на что указывалось в работе [7].
Выводы
1. Проведённое исследование показало, что при опережающем поверхностном пластическом деформировании увеличение толщины упрочнённого поверхностного слоя гладких образцов приводит к повышению предела выносливости образцов с надрезами за счёт увеличения сжимающих остаточных напряжений в их опасном сечении.
2. С увеличением диаметра гладких образцов (деталей) при одной и той же поверхностной упрочняющей обработке толщина слоя со сжимающими остаточными напряжениями возрастает за счёт повышения жёсткости образцов при увеличении диаметра.
3. Критическая глубина нераспро-страняющейся трещины усталости 7 для
образцов из стали 20 диаметром П=10 мм и /)=25 мм соответствует установленный ранее зависимости 7 от диаметра опасного
сечения образцов и деталей, изготовленных из других материалов.
Библиографический список
1. Иванов, С.И. К определению остаточных напряжений в цилиндре методом снятия части поверхности [Текст] / С.И. Иванов, И.В. Григорьева // Вопросы прочности элементов авиационных конструкций - КуАИ -Куйбышев, 1971. - Вып. 48. - С. 179-183.
2. Иванов, С.И. К определению остаточных напряжений в цилиндре методом колец и полосок [Текст] / С.И. Иванов // Остаточные напряжения -КуАИ - Куйбышев: 1971. -Вып. 53. - С. 32-42.
3. Иванов, С.И. Влияние остаточных напряжений на выносливость образцов с надрезом [Текст] / С.И. Иванов, М.П. Шатунов, В.Ф. Павлов // Вопросы прочности элементов авиационных конструкций - КуАИ -Куйбышев, 1974. - Вып. 1. - С. 88-95.
4. Филатов, Э.Я. Универсальный комплекс машин для испытания материалов и конструкций на усталость [Текст] / Э.Я. Филатов, В.Э. Павловский. - Киев: Наукова Думка, 1985. -92с.
5. Павлов, В.Ф. Остаточные напряжения и сопротивление усталости упрочнённых деталей с концентраторами напряжений [Текст] / В.Ф. Павлов, В.А. Кирпичёв, В.Б. Иванов. -Самара: Изд-во СНЦ РАН, 2008. - 64 с.
6. Павлов, В.Ф. О связи остаточных напряжений и предела выносливости при изгибе в условиях концентрации напряжений [Текст] /В.Ф. Павлов // Изв. вузов. Машиностроение. - 1986. - №8. - С. 29-32.
7. Прогнозирование предела выносливости поверхностно упрочнённых деталей при различной степени концентрации напряжений / В.А. Кирпичёв, А.П. Филатов, О.В. Ка-ранаева [и др.]// Прочность материалов и элементов конструкций, тр. МНТК - Киев: ИЛИ им. Г.С. Писаренко НАН Украины, 2011. - С. 678-685.
THE DEPENDENCE OF DETAIL FATIGUE RESISTANCE ON THE THICKNESS OF HARDENING LAYER UNDER OUTSTRIPPING SUPERFICIAL PLASTIC DEFORMING
©2012 V. S. Vakuljuk
Samara State Aerospace University named after academician S.P. Korolyov (National Research University)
The fact, that the part with a concentrator endurance limit under outstripping superficial plastic deforming depends on the hardened surface layer with compressive residual stresses thickness has been established.
Outstripping superficial plastic deforming, hardened layer thickness, residual stresses, part with a concentrator, endurance limit.
Информация об авторах
Вакулюк Владимир Степанович, кандидат технических наук, доцент кафедры сопротивления материалов, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет). E-mail: [email protected]. Область научных интересов: механика остаточных напряжений.
Vakuljuk Vladimir Stepanovich, candidate of technical sciences, associate professor of strength of materials department, Samara State Aerospace University named after academician S.P. Korolyov (National Research University). E-mail: [email protected]. Area of research: residual stresses mechanics.
