Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор литературы по теме диссертации и постановка задач исследования 7
1.1. Методы определения остаточных напряжений в деталях с концентраторами 7
1.2. Основные положения теории ослабленного поверхностного слоя. Методы определения механических характеристик материалов и их поверхностных слоев 14
1.3. Постановка задач исследования 26
2. Возникновение остаточных напряжений в поверхностном слое деталей 28
2.1. Математическая модель возникновения остаточных напряжений в деталях с учетом физической неоднородности поверхностного слоя 28
2.1.1. Теоретические положения математической модели 28
2.1.2. Применение метода конечных элементов для определения остаточных напряжений в гладких цилиндрических деталях и деталях с концентраторами напряжений 40
2.2. Методики экспериментального определения остаточных напряжений. Оборудование и методики статических испытаний 58
2.2.1. Оборудование и методики определения остаточных напряжений 58
2.2.2. Оборудование и методики статических испытаний 74
3. Закономерности формирования остаточных напряжений в поверхностном слое неупрочнеиных гладких деталей и деталей с концентраторами при статическом нагружении 81
3.1. Влияние физико-механических характеристик поверхностного слоя деталей на распределение остаточных напряжений в условиях однократно статического нагружения 81
3.2. Закономерности формирования остаточных напряжений при однократно статическом растяжении и сжатии в неупрочненном поверхностном слое 96
3.3. Методика определения механических характеристик неупрочненного поверхностного слоя 108
4. Закономерности формирования остаточных напряжений в условиях концентрации напряжений при однократно статическом нагружении в упрочненном поверхностном слое. Методика определения механических характеристик физически неоднородного упрочненного поверхностного слоя 113
4.1. Влияние физико-механических характеристик поверхностного слоя упрочненных деталей на перераспределение остаточных напряжений в условиях однократно статического нагружения 113
4.2. Закономерности формирования остаточных напряжений при однократно статическом растяжении и сжатии в упрочненном поверхностном слое 126
4.3. Методика определения механических характеристик упрочненного поверхностного слоя 137
Заключение 138
Литература 140
- Основные положения теории ослабленного поверхностного слоя. Методы определения механических характеристик материалов и их поверхностных слоев
- Применение метода конечных элементов для определения остаточных напряжений в гладких цилиндрических деталях и деталях с концентраторами напряжений
- Закономерности формирования остаточных напряжений при однократно статическом растяжении и сжатии в неупрочненном поверхностном слое
- Закономерности формирования остаточных напряжений при однократно статическом растяжении и сжатии в упрочненном поверхностном слое
Введение к работе
Разработка новой техники в современных условиях требует
значительного снижения времени создания и себестоимости изделия, что
невозможно без внедрения новых прогрессивных технологии, дальнейшего
развития теоретических и экспериментальных работ, направленных на
& повышение надежности изделий.
Основными методами, значительно повышающими сопротивление усталости деталей, имеющих концентраторы напряжений, являются методы упрочняющей технологии, в частности, широко используемое в машиностроении поверхностное пластическое деформирование (ПТТД). В результате применения этих методов на дне концентратора формируются сжимающие остаточные напряжения.
Одной из причин возникновения остаточных напряжений является возможность пластического деформирования поверхностных слоев детали. Необходимым условием протекания пластических деформаций является наличие ослабленного поверхностного слоя. Под ослабленным поверхностным слоем понимается поверхностный слой с механическими характеристиками более низкими, чем в объеме материала.
Существующие в настоящее время методики ускоренного (без
длительных и дорогостоящих испытаний на усталость) определения предела
выносливости деталей с концентраторами напряжений в качестве входных
данных используют механические характеристики поверхностных слоев
* деталей. В связи с этим неучет факта наличия ослабленного поверхностного
слоя с аномально низкими механическими характеристиками приводит к большим погрешностям в расчетах.
Поэтому работа посвящена решению проблемы определения механических характеристик поверхностных слоев упрочненных ППД деталей с концентраторами напряжений с учетом неоднородности поверхностного слоя.
Диссертация выполнена на кафедре сопротивления материалов Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика СП. Королева. Она состоит из введения, четырех разделов и заключения.
В первом разделе дается аналитический обзор литературы по теме диссертации и сформулированы задачи исследования.
Во втором разделе изложены математическая модель формирования остаточных напряжений в поверхностном слое деталей, предварительно свободных от них, методики экспериментального определения остаточных напряжений, результаты теоретических и экспериментальных исследований, на основе которых представляются основные закономерности формирования остаточных напряжений.
Третий раздел посвящен исследованию закономерностей формирования остаточных напряжений в поверхностном слое гладких цилиндрических образцов из сталей 45 и ЗОХГСА (двух видов), 40Х, 38Х2МЮА, сплава ЭИ698ВД.
В четвертом разделе изложена математическая модель распределения остаточных напряжений в деталях после поверхностного пластического деформирования (ПЛД) при однократно статическом нагружении, приводятся результаты теоретического и экспериментального исследования на данном классе упрочненных деталей.
На защиту выносятся следующие новые научные результаты:
Гф - модель формирования остаточных напряжений в ослабленном
поверхностном слое цилиндрических деталей с концентраторами
напряжений, обработанных поверхностным пластическим
деформированием (ПЛД);
методика определения механических характеристик физически неоднородного поверхностного слоя упрочненных деталей;
закономерности перераспределения остаточных напряжений в
*
поверхностном слое деталей, упроченных ППД при действии однократно статического нагружения.
Основные положения теории ослабленного поверхностного слоя. Методы определения механических характеристик материалов и их поверхностных слоев
Одной из причин возникновения остаточных напряжений служит возможность пластического деформирования поверхностных слоев детали. Необходимым условием протекания пластических деформаций служит наличие ослабленного поверхностного слоя. В связи с этим возникает необходимость рассмотрения поверхностного слоя как чрезвычайно физически неоднородного.
В работах [8, 50, 51, 100, 101, 102, 106, 121, 122] показывается, что многие феномены, такие как образование площадки текучести на диаграммах растяжения, физический предел выносливости, эффект Баушингера, эффект Портевена-Лешателье, разрыв кривых усталости при переходе от малоцикловой к многоцикловой усталости и другие вызваны наличием ослабленного поверхностного слоя с аномально низкими механическими характеристиками, в частности, пределом текучести. Рассмотрим причины, обуславливающие особое поведение поверхностных слоев. Если взять поверхностные зерна и зерна, расположенные в объеме металла, то следует отметить неравноценность их с точки зрения возможности развития пластической деформации. В поверхностных зернах пластическая деформация облегчена вследствие [19]: - возможности выхода дислокаций на свободную поверхность; - более низкого напряжения действия источников Франка-Рида, т. к. в поверхностных слоях источники дислокаций имеют преимущественно форму петель, закрепленных одним концом, тогда как в глубине материала источники имеют две точки закрепления; - облегченного выхода вакансий на поверхность; - наличие в поверхностном слое более грубой, чем в объеме материала, дислокационной сетки Франка, в связи с чем для генерирования дислокаций требуется меньшее напряжение. Таким образом, дислокации, расположенные в поверхностных зернах, при низких напряжениях могут двигаться более свободно, чем глубинные дислокации, что обуславливает преимущественное пластическое течение поверхностных слоев металла при деформации в квазиупругой области. Было показано [8], что эффективная длина источника Франка-Рида у поверхности может быть вдвое больше длины источника внутри материала и, следовательно, поверхностные источники действуют при вдвое меньших напряжениях. Кроме того, известно [6, 7, 8], что гетерогенные источники (окисные пленки, микротрещины, микрогеометрия поверхности и прочее), концентрация которых у поверхности всегда выше, чем в объеме материала, работают при гораздо меньшем уровне внешних напряжений, чем гомогенные источники, возникающие в совершенных областях металла. Так, например, было показано [6], что поверхностный источник у ступеньки роста может работать при напряжениях, равных — от теоретической 1 прочности при комнатной температуре и — от теоретической прочности вблизи температуры плавления. Аналогичными легкодействующими гетерогенными источниками могут служить окисные пленки [6], царапины, трещины, частицы выделений и примеси. Таким образом, поскольку поверхность, как правило, обладает большей степенью гетерогенности, чем внутренние слои материала, количество легкодействующих источников в приповерхностной области всегда больше, чем в объеме металла. Более подробно причины физической неоднородности поверхностного слоя изложены в [5, 6, 7, 8, 112, 118, 121, 122]. Рентгеноструктурный анализ показал, что при растяжении образцов из малоуглеродистой стали (0,23%С) на поверхности происходит пластическое течение, в то время как сердцевина образца находится в упругом состоянии [122]. При разгрузке образца на поверхности возникают остаточные напряжения сжатия. Если считать, что напряжения, возникающие в поверхностном слое детали при статическом нагружении, превышают некоторое значение — предел текучести на поверхности, то в этом случае неучет факта наличия ослабленного поверхностного слоя приводит к большим погрешностям в расчетах. В связи с этим, исходными данными для расчетной модели должны служить такие характеристики поверхностного слоя, как толщина ослабленного слоя, величина предела текучести на поверхности, закон распределения предела текучести по толщине поверхностного слоя.
В работе [ 10] была предпринята попытка создать расчетную математическую модель процессов, происходящих в поверхностных слоях при осевом нагружении цилиндрических образцов с кольцевыми надрезами V-образного профиля, основанную на численном решении задачи теории пластичности с использованием метода конечных элементов. К недостаткам исследования следует отнести отсутствие учета аномальности механических характеристик ослабленного поверхностного слоя, т.к. предел текучести принимался одинаковым по всей расчетной области образца, поэтому с позиций предложенной модели невозможно объяснить образование остаточных напряжений в поверхностном слое при напряжениях, меньших макроскопического предела текучести материала. Кроме того, не учитывалось различие в значениях пределов текучести на растяжение и сжатие. Учет эффекта Баушингера не был обоснован, т.к. подавляющая часть изменений, вызванных этим эффектом, связана с образованием остаточных напряжений в поверхностном слое [102]. Наличие постоянного во всем объеме тела предела текучести предопределило достаточно высокий уровень внешних нагрузок для наведения остаточных напряжений. Экспериментальное исследование остаточных напряжений в данной работе проводилось в районе кольцевого надреза в осевом стержневом элементе, вырезанном из цилиндрического образца, предварительно подвергнутого осевому сжатию. Разброс результатов измерения остаточных напряжений в работе [10] достигал 35 МПа, что указывает на низкую точность экспериментальных данных работы. В то же время опытные значения остаточных напряжений были получены существенно меньше соответствующих расчетных, что невозможно объяснить с позиций предложенной модели. Несмотря на недостатки, в работе [10] предпринята, очевидно, одна из первых попыток моделирования процессов формирования остаточных напряжений в поверхностных слоях деталей под действием однократно статической осевой нагрузки.
Применение метода конечных элементов для определения остаточных напряжений в гладких цилиндрических деталях и деталях с концентраторами напряжений
Предлагаемая математическая модель не дает возможности получить аналитическую зависимость остаточных напряжений от предела текучести, в связи с этим задача требует применения численного метода решения. В настоящей работе был использован метод конечных элементов (МКЭ), который показал высокую точность и эффективность по сравнению с другими численными методами решения (вариационно — разностные методы, метод граничных элементов).
Рассмотрим основные положения метода конечных элементов применительно к нашей задаче. МКЭ предполагает разбиение области Q. па конечное число элементов определенного типа. В нашем случае расчетная область О цилиндрической детали с надрезом представляет собой четверть всей детали (рис. 2.3) с соответствующими геометрическими и силовыми граничными условиями. Положения границ АВ и EF выбирались из условия симметрии детали и нагружения.
Геометрические граничные условия имеют вид где U=y Ur — перемещения вдоль осей z и г соответственно. Первое условие соответствует закреплению границы АВ вдоль оси z, второе условие выполняется автоматически при решении осесимметричной задачи. Все другие границы расчетной области оставались свободными от закреплений. Силовые граничные условия задавались на границе EF в виде вектора нагрузки F , имеющего интенсивность qz= const, при моделировании случая "растяжение-сжатие" (рис. 2.4); на границе DH в виде вектора нагрузки F=, имеющего интенсивность q==var, которая изменялась по линейному закону. На расчетную область также накладываются условия физической неоднородности ослабленного слоя в виде градиента изменения предела текучести по толщине поверхностного слоя детали. Для гладкой цилиндрической детали и для детали с концентратором принимались одинаковые граничные условия. Отличие состояло лишь в размере расчетной области — ее протяженность для гладкой детали принималась равной 2,5/) с целью исключения влияния краевых эффектов. Указанный размер определялся также расчетной оценкой. Уравнения равновесия для расчетной области имеют вид Выражение (2.29) учитывает изотропное упрочнение пластического тела. Подставив зависимости (2.25) - (2.29) в функционал (2.24) и продифференцировав его по U, получим уравнение равновесия элемента в приращениях где \dFz}/ \ — вектор приращений эквивалентных узловых сил; M(/w) = ІЯ Г [ ][5]ra! -ufe - матрица жесткости конечного элемента. (2.31) П При решении задачи применялись изопараметрические треугольные трехузловые конечные элементы с линейной функцией перемещений (рис. 2.5), используемой как для аппроксимации приращений перемещений {df}, так и координат точек {z, г}, находящихся внутри элемента. Интеграл в выражении (2.31) необходимо вычислять численным способом. В нашем случае применялось интегрирование по Гауссу [16] с одной точкой интегрированиия - в центре тяжести конечного элемента. В связи с этим выражение (2.31) имеет вид где [В \ - матрица [в] в центре тяжести конечного элемента; R - радиус центра тяжести конечного элемента. Вектор приращения нагрузки конечного элемента можно вычислять по формуле Нагружение отдельно взятого конечного элемента показано на рис. 2.6. Нагружению, как правило, подвергалась лишь одна сторона конечного элемента, поэтому в векторе приращения нагрузки конечного элемента \dF-}(т\, ненулевыми оказывались только две составляющие из шести, например, #2 и dF K В общем случае dqz=var, поэтому величины dF и dEFp") можно определить по формулам.
Закономерности формирования остаточных напряжений при однократно статическом растяжении и сжатии в неупрочненном поверхностном слое
С целью подтверждения достаточной точности построенной в разделе 2.1 модели были проведены тестовые расчеты для цилиндрической гладкой детали, как в упругой, так и в упругопластической постановке.
В качестве объекта исследования в диссертации были использованы цилиндрические образцы, изготовленные из сталей 45 и ЗОХГСА (двух видов), 40Х, 38Х2МЮА, сплава ЭИ698ВД. Выбор материалов обусловлен следующими причинами. Сталь как сплав является структурно стабильным материалом и наиболее полно исследован в литературе, поэтому большинство экспериментов проводились на этом виде материалов. В тоже время в конструкциях газотурбинных и других двигателей общего назначения большое распространение получили жаропрочные сплавы типа ЭИ698ВД. Конкретные марки были выбраны из расчета охвата с минимальными затратами всех классов материалов в зависимости от степени пластичности.
В результате испытаний образцов по методикам, описанным в разделе 2.2, и соответствующей статистической обработки были получены математические ожидания механических характеристик применяемых материалов, которые приведены в табл. 3.1 (сгруппированные по степени пластичности).
Кроме того, образцы для испытаний на сжатие из хрупких материалов 38Х2МЮА, ЭИ698ВД и т.д. при деформировании разрушались хрупко и поверхность скола была расположена под углом 45 к оси образца.
Разрушение образцов из других сталей при испытаниях на сжатие не наблюдалось даже при значительных нагрузках. Эти свойства служат характерными признаками пластичности или хрупкости выбранных материалов. В дальнейшем под механическими характеристиками материалов будут иметься ввиду их математические ожидания. Все величины механических характеристик были заложены в математическую модель в качестве исходных данных. В результате было выявлено, что для сталей, имеющих степень пластичности, подобную сталям 45(1) и 30ХГСА(1), изменение предела текучести на растяжение и на сжатие по толщине ослабленного слоя (рис. 3.1, а, б) подчиняется линейному закону, введенному авторами исследования [93]. В то же время для хрупких сталей и сплавов типа 38Х2МЮА, ЭИ698ВД линейный закон изменения пределов текучести не выполняется, а наиболее подходящим является закон кубической параболы (рис. 3.1, в).
Механические характеристики ослабленного поверхностного слоя исследуемых материалов, приведенные на рис. 3.1 и в табл. 3.2, были в дальнейшем использованы в качестве исходных данных при моделировании процесса формирования остаточных напряжений в упрочненных деталях.
Исследованию подвергались поверхностные слои гладких цилиндрических деталей с диаметром рабочей части 5 мм. По построенной математической модели с использованием конечно-элементной идеализации (рис. 2.7) были проведены расчеты остаточных напряжений после однократно статического нагружения усилием, величина которого соответствовала 0,5-0,95 от предела текучести на растяжение основного материала. Определялись остаточные нормальные ?zocm, 7гост, сгдост и касательные тг= ост напряжения нулевого полуцикла нагружения. Дальнейшее циклическое изменение нагрузки из рассмотрения исключалось. При расчетах использовалась как растягивающая, так и сжимающая нагрузки.
Изучалось также напряженно-деформированное состояние детали после достижения нагрузкой максимальной величины в связи с тем, что упругопластическии расчет напряжений в условиях чрезвычайной неоднородности ослабленного поверхностного слоя до сих пор не проводился. В этом случае в поверхностном слое гладкой цилиндрической детали возникают условия, аналогичные геометрической концентрации напряжений. Эти условия характеризуются наличием объемного напряженно-деформированного состояния при действии линейной осевой нагрузки, т.к. кроме осевых возникают достаточно большие окружные напряжения. Результаты расчета осевых и окружных нормальных напряжений применительно к характеристикам поверхностного слоя стали 45(1) при растягивающей нагрузке приведены на рис. 3.2. Видно, что распределение напряжений т по толщине поверхностного слоя аналогично распределению напряжений в надрезах при упругопластических деформациях [67]. Наблюдается значительное падение этих напряжений к поверхности и их выравнивание в основной части поперечного сечения. Поэтому можно сказать, что в этом случае наблюдается своеобразный, новый вид упругопластической концентрации напряжений, отличной от известных.
В работе [52] обобщены данные по различным видам концентрации напряжений и дано ее определение как резкое местное изменение поля напряжений и деформаций, которое может быть вызвано конструктивными факторами (изменение размеров и формы деталей), а также условиями внешних воздействий (силовых и температурных). О других причинах возникновения концентрации напряжений, в частности физической неоднородности поверхностного слоя, в литературе не указывается.
Наряду с этим в процессе расчетов было замечено, что при возрастании нагрузки после достижения текучести в некотором слое здесь наблюдается рост осевых напряжении т_, в то время как интенсивность напряжений (эквивалентное напряжение) остается практически постоянной. Этот процесс с развитием пластической деформации постепенно затухает.
Закономерности формирования остаточных напряжений при однократно статическом растяжении и сжатии в упрочненном поверхностном слое
Следует также отметить, что относительная неизменность интенсивности напряжений в поверхностном слое детали, вступившим в пластическое состояние, наблюдалась во всем диапазоне исследуемых нагрузок и для различных материалов. Эту стабильность можно объяснить достаточно малой величиной упругопластических деформаций, проходящих в ослабленных поверхностных слоях детали, что в свою очередь обусловлено наличием значительной и преобладающей по размерам поперечного сечения упругой матрицы. Расчеты показали, что величина деформации поверхностного слоя не превышала 1,25 и была несравненно меньше единицы. Кроме того, выявлено наличие существенных окружных напряжений JQ (рис. 3.2 б), которые являются вторым главным напряжением (первое главное напряжение практически совпадало с осевыми напряжениями). Присутствие окружных напряжений в поверхностном слое обусловлено объемным напряженно-деформированным состоянием в ослабленном поверхностном слое с чрезвычайно неоднородными механическими характеристиками.
На эпюре окружных напряжений наблюдается подповерхностный максимум, который наиболее выражен при больших величинах осевой нагрузки. Глубина залегания окружных напряжений определяется толщиной ослабленного слоя, в котором прошла упруго пластическая деформация. Наибольшие окружные напряжения составляют примерно 30% от соответствующих осевых напряжений. Наличие окружных напряжений в ослабленном слое обусловило в дальнейшем после однократного воздействия статической нагрузкой появление в гладкой детали соответствующих окружных остаточных напряжений.
На рис. 3.3 приведены результаты расчетов осевых и окружных напряжений в поверхностном слое гладкой детали, изготовленной из стали 38Х2МЮА. Характерной особенностью для стали 38Х2МЮА является появление у осевых напряжений подповерхностного минимума на глубине порядка 20 мкм. Этот минимум обусловлен взаимодействием таких факторов как довольно низкий градиент распределения предела текучести на растяжение вблизи внешней части поверхностного слоя детали и роста осевых напряжений при возрастании нагрузки в условиях развитой пластической деформации этого слоя. 38Х2МЮА является представителем сталей хрупкого класса, поэтому следует предположить, что выявленный эффект характерен для сталей именно этого класса. Все остальные качественные характеристики распределения нормальных напряжений аналогичны стали 45(1). Отличие наблюдается лишь на количественном уровне, в частности глубина распространения пластической деформации несколько ниже, чем у стали 45(1), что объясняется соответствующим характером распределения предела текучести на растяжение ослабленного поверхностного слоя (рис. 3.1 в). Аналогичные закономерности были получены для других используемых материалов. Подобные результаты были получены при нагружении гладкой детали осевой сжимающей нагрузкой. Приводить в диссертации эти результаты не имеет смысла в связи с тем, что они на качественном уровне полностью повторяют закономерности, выявленные применительно к растягивающей нагрузке. По построенной модели остаточные напряжения определялись в момент, когда величина внешней нагрузки принимала значение, равное нулю. Кроме осевых, радиальных и окружных нормальных и касательных остаточных напряжений определялись главные остаточные напряжения. Первое главное напряжение численно равно окружным остаточным напряжениям Т0ост, т.к. эти напряжения практически оказались равными окружным напряжениям JQ при действии осевой нагрузки. Эта закономерность нарушалась лишь для хрупких сталей и сплавов при нагрузке, соответствующей 0,9Pfp, где Pjp - нагрузка, соответствующая пределу текучести на растяжение основного материала. В этом случае при разгрузке проходила повторная пластическая деформация, что вызывало снижение величины &0ост. Во всех остальных случаях в исследуемом диапазоне нагрузок эта закономерность сохранялась. Осевые остаточные напряжения crzocmi вычисленные по построенной модели с использованием соответствующих исходных данных для характерных материалов из каждой группы, приведены на рис. 3.4. Полученные результаты указывают на достаточно высокий уровень осевых остаточных напряжений. Многочисленные исследования показывают, что определяющее влияние на прочность деталей оказывают осевые остаточные напряжения. Во всех расчетах по оценке предела выносливости упрочненных деталей фигурирует величина именно этих остаточных напряжений. Поэтому в дальнейшем под остаточными напряжениями будут пониматься их осевые составляющие.
Вначале рассмотрим случай испытания образца, изготовленного из стали 45(1). Из данных рис. 3.4 (а) видно, что с увеличением внешней осевой нагрузки уровень остаточных напряжений возрастает. Расчеты показали, что повторной пластической деформации в поверхностных слоях гладких образцов из стали 45(1) при однократно-стати чес ком нагружении в исследуемом диапазоне нагрузок не наблюдается. Одновременно с увеличением уровня остаточных напряжений увеличивается и глубина их залегания. Для стали 45( 1) наибольшие остаточные напряжения располагаются на поверхности, а кривизна эпюры меняется в точке перехода через ноль. Глубина залегания остаточных напряжений достигает 180 мкм, наибольшие сжимающие остаточные напряжения -240 МПа при нагрузке Р = 0,9РТР.
