Остаточные напряжения и предел выносливости корсетных образцов после различных видов термической и химико-термической обработки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Остаточные напряжения и предел выносливости корсетных образцов после различных видов термической и химико-термической обработки

В.Ф. Павлов, В.С. Вакулюк, В.А. Кирпичёв, В.И. Лапин

Самарский государственный технический университет

Исследовано влияние термической и химико-термической обработки корсетных образцов из сплавов ВКС-5 и ЭП718 на предел выносливости. Установлено, что для прогнозирования предела выносливости корсетных образцов с небольшой степенью концентрации напряжений представляется возможным использовать критерий среднеинтегральных остаточных напряжений.

Ключевые слова: корсетные образцы, химико-термическая обработка, предел выносливости, критерий среднеинтегральных остаточных напряжений.

В работе изучалось влияние сжимающих остаточных напряжений, наведённых различными видами термической и химико-термической обработки, на предел выносливости корсетных образцов.

Для определения остаточных напряжений в корсетных образцах с указанными на рис. 1 размерами методом конечных элементов была решена задача теории упругости по определению меридиональных (осевых в наименьшем сечении образца) остаточных напряжений, ответственных за изменение предела выносливости [1]. Нагружение образца меридиональными , окружными и радиальными остаточными напряжениями, эквивалентное удалению слоя толщиной в пределах половины поверхности корсетной части образца, показано на рис. 1.

Рис. 1. Нагружение корсетного образца, эквивалентное удалению слоя толщиной

Конечная зависимость для вычисления меридиональных остаточных напряжений имеет следующий вид:

, (1)

где - модуль продольной упругости материала образца; - коэффициент Пуассона; - расстояние от начала зоны травления образца до сечения, в котором измеряются перемещения (рис. 2); - длина корсетной части образца (рис. 1 и 2); - измеряемое перемещение образца с удлинителем при удалении поверхностного слоя толщиной (рис. 2); - коэффициент жёсткости.

Рис. 2. Схема измерения перемещения образца с удлинителем при удалении поверхностного слоя толщиной

Удлинитель использовался для увеличения измеряемых перемещений с целью повышения точности определения остаточных напряжений. Значения коэффициента жёсткости , вычисленного по результатам решения задачи теории упругости, приведены в табл. 1. Из данных табл. 1 видно, что изменение наименьшего диаметра корсетного образца оказывает существенное влияние на значение коэффициента жёсткости , поэтому диаметр образца следует измерять с достаточной точностью.

Таблица 1

Значения коэффициента ХР(а)

В настоящем исследовании изучалось влияние технологии изготовления корсетных образцов круглого поперечного сечения с наименьшим диаметром 7,5 мм из сплавов ВКС-5 и ЭП718 на предел выносливости через величину и распределение остаточных напряжений поверхностного слоя. После механической обработки (шлифования) образцы подвергались термической и химико-термической обработке по режимам, приведённым в табл. 2.

После термической обработки шлифованию подвергалась только коническая часть образцов, поэтому в рабочей части (корсетной) остаточное напряжённое состояние оставалось неизменным.

Таблица 2

Режимы обработки, результаты определения остаточных напряжений и предела выносливости корсетных образцов

Испытания образцов на усталость при чистом изгибе в случае симметричного цикла проводились на машине МВП-10000, база испытаний - 30·10⁶ циклов нагружения, температура испытаний - 20 °C. Результаты определения предела выносливости представлены в табл. 2. Можно видеть, что химико-термическая обработка образцов привела к существенному повышению сопротивления усталости. Часть образцов, испытанных на пределе выносливости при 30·10⁶ циклов нагружения, была доведена до разрушения при бьльшей нагрузке. Во всех разрушенных образцах были обнаружены нераспространяющиеся трещины усталости (рис. 3), средняя глубина которых составляла 0,160 мм, что соответствует зависимости, установленной в [2]:

. (2)

Рис. 3. Усталостный излом образца из сплава ВКС-5: 1 - нераспространяющаяся трещина; 2 - зона долома

напряжение выносливость корсетный термический

Следует обратить внимание на тот факт, что нераспространяющиеся трещины усталости обнаружены в корсетных образцах, то есть в образцах с весьма малой концентрацией напряжений, а значение критической глубины этих трещин соответствует зависимости (2), установленной экспериментально для образцов и деталей с существенной концентрацией напряжений [2].

Меридиональные остаточные напряжения определялись по формуле (1) описанным выше методом удаления половины поверхности образца в пределах его корсетной части. Исследовались остаточные напряжения в образцах как непосредственно после термической обработки, так и после испытаний на усталость. Необходимо отметить, что остаточные напряжения в образцах, прошедших базу испытаний при напряжении, равном пределу выносливости, практически не отличались от остаточных напряжений образцов, не подвергавшихся испытаниям на усталость. Следовательно, остаточные напряжения после использованных термической и химико-термической обработок в исследованных образцах весьма устойчивы к воздействию переменных напряжений. Эпюры меридиональных остаточных напряжений по толщине поверхностного слоя представлены на рис. 4.

а б

Рис. 4. Распределение меридиональных остаточных напряжений в корсетных образцах из сплавов ВКС-5 (а) и ЭП718 (б); номера эпюр соответствуют номерам вариантов табл. 2

Из данных рис. 4 следует, что при всех исследованных видах термической и химико-термической обработок в образцах действуют сжимающие остаточные напряжения с максимумом на поверхности, достигающим в образцах из ВКС-5 после цементации -2200 МПа (рис. 4, а; эпюра 3).

На примере образцов из сплава ВКС-5 можно проследить за влиянием полноты эпюры сжимающих остаточных напряжений на предел выносливости. После ионной цементации и обычной цементации наибольшие остаточные напряжения различаются незначительно: -2100 МПа и -2200 МПа соответственно (рис. 4, а; эпюры 2 и 3). Однако после ионной цементации распределение остаточных напряжений по толщине поверхностного слоя является менее полным, чем после обычной цементации, - смена знака напряжений в первом случае (рис. 4, а; эпюра 2) происходит на глубине мм, а во втором (рис. 4, а; эпюра 3) - на глубине мм. В результате приращение предела выносливости образцов по сравнению с исходным состоянием (рис. 4, а; эпюра 1) после ионной цементации в 2 раза меньше, чем после обычной цементации: 140 МПа и 280 МПа соответственно. О влиянии характера распределения остаточных напряжений на сопротивление усталости указывалось ранее в работах [3-6].

Для корсетных образцов из сплава ЭП718 борирование по сравнению с ложным борированием приводит к наведению в поверхностном слое сжимающих остаточных напряжений с максимумом на поверхности, достигающим -1500 МПа, и глубиной залегания 0,25 мм (рис. 4, а). В результате предел выносливости образцов после настоящего борирования увеличился на 240 МПа.

Оценка влияния остаточных напряжений на приращение предела выносливости проводилась по критерию среднеинтегральных остаточных напряжений [7]:

, (3)

где - коэффициент влияния остаточных напряжений на предел выносливости по разрушению,

, (4)

- меридиональные (осевые) остаточные напряжения в наименьшем сечении образца; о=a/t_кр - расстояние от поверхности образца до текущего слоя, выраженное в долях ; - критическая глубина нераспространяющейся трещины усталости, возникающей при работе образца на пределе выносливости.

Среднеинтегральные остаточные напряжения и коэффициент влияния приведены в табл. 2. Анализ этих данных показывает, что значение коэффициента составляет в среднем 0,51 и практически совпадает со значением , вычисленным по зависимости [8]

, (5)

где - теоретический коэффициент концентрации напряжений для исследованных корсетных образцов, который определён по справочнику [9].

Таким образом, в проведённом исследовании установлено, что критерий среднеинтегральных остаточных напряжений может быть использован для прогнозирования предела выносливости подвергнутых химико-термической обработке корсетных образцов из сплавов ВКС-5 и ЭП718, то есть для образцов с малой концентрацией напряжений. Для прогнозирования приращения предела выносливости необходимо воспользоваться зависимостью (3), в которой коэффициент влияния остаточных напряжений определяется по формуле (5), среднеинтегральные остаточные напряжения вычисляются по зависимости (4) по толщине поверхностного слоя образца, равной критической глубине нераспространяющейся трещины усталости , рассчитанной по формуле (2).

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Павлов В.Ф., Кирпичёв В.А., Иванов В.Б. Остаточные напряжения и сопротивление усталости упрочнённых деталей с концентраторами напряжений. - Самара: СНЦ, 2008. - 64 с.

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.

Павлов В.Ф. Влияние характера распределения остаточных напряжений по толщине поверхностного слоя детали на сопротивление усталости // Известия вузов. Машиностроение. - 1987. - №7. - С. 3-6.

Смагленко Ф.П. Влияние распределения остаточных напряжений на усталостную прочность твердого сплава ВК15 // Проблемы прочности. - 1980. - №8. - С. 35-38.

Торбило В.И., Маркус Л.И. Остаточные напряжения в поверхностном слое закалённых сталей после алмазного выглаживания // Вестник машиностроения. - 1969. - №6. - С. 44-45.

Туровский М.Л., Новик Р.А. Упрочняющая обработка роликами азотированных стальных деталей // Вестник машиностроения. - 1970. - №1. - С. 39-42.

Павлов В.Ф. О связи остаточных напряжений и предела выносливости при изгибе в условиях концентрации напряжений // Известия вузов. Машиностроение. - 1986. - №8. - С. 29-32.

Кирпичёв В.А., Филатов А.П., Каранаева О.В., Иванов В.Б. Влияние остаточных напряжений на предел выносливости детали при различной степени концентрации // В сб.: Проблемы и перспективы развития двигателестроения. Материалы докладов международной научно-технической конференции, часть 2. - Самара: СГАУ, 2009. - С. 178-179.

Петерсон Р.Е. Коэффициенты концентрации напряжений. - М.: МИР, 1977. - 304 с.

Размещено на Allbest.ru