Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор литературы по теме диссертации и постановка задач исследования 10
2 Расчет остаточных напряжений в деталях с концентраторами напряжений по первоначальным деформациям 28
2.1 Определение остаточных напряжений по первоначальным деформациям 28
2.2 Распределение остаточных напряжений в деталях с концентраторами 40
2.3 Экспериментальная проработка результатов расчёта остаточных напряжений 59
2.4 Распределение остаточных напряжений в коротких зонах упрочнения 71
2.5 Выводы по разделу 81
3 Использование остаточных напряжений образца-свидетеля для моделирования остаточного напряжённого состояния в поверхностно упрочнённых деталях с концентраторами напряжений 84
3.1 Применение метода термоупругости при конечно-элементном моделировании остаточного напряжённого состояния в поверхностно упрочнённых деталях
3.2 Исследование влияния первоначальных радиальных деформаций на распределение остаточных напряжений в поверхностно упрочнённом цилиндре 95
3.3 Прогнозирование предела выносливости поверхностно упрочнённых сплошных цилиндрических образцов из стали 45 по остаточным напряжениям образца-свидетеля 101
3.4 Оценка влияния гидродробеструйной обработки на многоцикловую усталость цилиндрических деталей из сплава Д16Т по первоначальным деформациям образца-свидетеля 111
3.5 Выводы по разделу 117
4 Определение остаточных напряжений во впадинах шлиц 120
4.1 Метод определения остаточных напряжений 120
4.2 Об определении остаточных напряжений полоски 121
4.3 Дополнительные остаточные напряжения при разрезке кольца 124
4.4 Остаточные напряжения разрезанного кольца 141
4.5 Остаточные напряжения исходной детали 154
4.6 Остаточные напряжения в шлицевых деталях 157
4.7 Сопротивление усталости шлицевых соединений 168
4.8 Исследование по определению опасного сечения и концентрации напряжений при изгибе зубьев шлицевых
деталей 174
4.9 Исследование методом конечно-элементного моделирования распределения остаточных напряжений по глубине сечений опасной зоны упрочненных зубьев шлицевых деталей 180
4.10 Оценка влияния технологии изготовления на остаточные напряжения и сопротивление усталости шлицевых деталей по среднеинтегральным остаточным напряжениям 195
5 Остаточные напряжения и сопротивление усталости деталей с галтелями 203
5.1 Определение положения опасного сечения и влияния схемы поверхностного упрочнения детали на распределение осевых остаточных напряжений в опасном сечении 203
5.2 Исследование распределения напряжений в области опасного сечения образцов с галтелями методом конечно-элементного моделирования 208
5.3 Исследование результатов испытаний на усталость цилиндрических образцов с галтелями методом конечно-элементного
моделирования 214
5.4 Выводы по разделу 229
6 Исследование методом конечно-элементного моделирования распределения остаточных напряжений по глубине опасного сечения упрочненных корсетных образцов 231
6.1 Определение остаточных напряжений и предела выносливости корсетных образцов 231
6.2 Исследование методом конечно-элементного моделирования распределения остаточных напряжений по глубине опасного сечения упрочнённых корсетных образцов 241
6.3 Выводы по разделу 25
4 7 Прогнозирование предела выносливости поверхностно упрочненных деталей в условиях конщнтрации напряжений 256
7.1 Обобщённый метод прогнозирования сопротивления усталости упрочнённых деталей по остаточным напряжениям образца-свидетеля 256
7.2 Определение теоретических коэффициентов концентрации напряжений 269
Заключение 275
Литература
- Распределение остаточных напряжений в деталях с концентраторами
- Прогнозирование предела выносливости поверхностно упрочнённых сплошных цилиндрических образцов из стали 45 по остаточным напряжениям образца-свидетеля
- Остаточные напряжения разрезанного кольца
- Исследование распределения напряжений в области опасного сечения образцов с галтелями методом конечно-элементного моделирования
Распределение остаточных напряжений в деталях с концентраторами
В статье [201] утверждается, что если остаточные напряжения имеют выраженную локализацию, то формулы метода удаления слоев, основанные на представлении деформации с помощью растяжения-сжатия и чистого изгиба могут дать значительную погрешность. Разница в результатах увеличивается при увеличении отношения высоты полосы, у которой удаляются слои, к половине размера зоны локализации остаточных напряжений. Учитывая эту особенность, в последние годы задачи о связи остаточных напряжений и перемещении (деформаций), возникающих при удалении слоев материала в области концентраторов, решаются методом конечных элементов (МКЭ).
Обратим внимание на то, что число работ, посвященных вопросу концентрации остаточных напряжений, невелико, что объясняется сложностью данной проблематики в теоретическом (связь между остаточными напряжениями и перемещениями при исследовании образцов) и практическом (сложная технология экспериментального исследования образцов) отношениях.
После обработки деталей методом поверхностного упрочнения наблюдается значительное повышение сопротивления усталости деталей. Это повышение логично связать с изменениями на поверхности и в поверхностном слое деталей -остаточными напряжениями, наклёпом, изменением структуры, микротвёрдости поверхностного слоя, шероховатостью. Но влияние остаточных напряжений при различных видах деформаций различно. Так в работе [24, 77, 128] исследовалось влияние сжимающих остаточных напряжений на сопротивление усталости при изгибе, растяжении-сжатии, кручении. Сопоставление влияния поверхностного упрочнения на усталость при кручении и изгибе показало, что упрочнение при кручении менее эффективно.
Обкатка роликами и обдувка дробью особенно эффективны при наличии концентрации напряжений (галтели, отверстия, канавки и т.п.). В этом случае повышение предела выносливости при оптимально выбранной технологии упрочнения может доходить до 50-150% [11, 35, 41, 71, 99, 204]. Повышение предела выносливости и, как следствие, сопротивления усталости при 1111Д объясняется двумя основными причинами: благоприятным влиянием сжимающих остаточных напряжений и улучшением физико -механических свойств поверхностного слоя. Известно, что в результате ППД в упрочненном слое повышается плотность дислокаций, измельчается исходная структура, изменяется шероховатость, повышается предел текучести и, в результате, изменяется предел выносливости.
Обкатка или обдувка дробью, а также ультразвуковое упрочнение поверхности дают существенное возрастание сопротивления усталости даже для гладких образцов. Такая обработка в некоторых случаях может быть полезна для устранения растягивающих остаточных напряжений и дефектов после шлифования [203], а также для снятия растягивающих остаточных напряжений после сварки [205, 213].
В работе [99] определялись остаточные напряжения в деталях из материала Д16Т, который является наиболее распространённым в авиационной отрасли. За остаточные напряжения детали принимались остаточные напряжения образцов-свидетелей. Показано, что долговечность изделий зависит не только от максимальной величины остаточных напряжений, действующих на поверхности упрочнённого слоя, но и от характера их залегания в этом слое. По данной методике возможна только качественная оценка влияния на предел выносливости упрочнённых деталей. Наблюдаемый в последние годы повышенный интерес двигателестроительных фирм к разработке и применению более эффективных методов упрочнения деталей ГТД связан, главным образом, с большими материальными потерями вследствие досрочного снятия двигателей с эксплуатации из-за повреждения лопаток вентилятора и компрессора от попадания на вход двигателей посторонних предметов.
Статистический анализ показывает, что количество двигателей, досрочно снимаемых с эксплуатации по причине повреждения посторонними предметами, включая птиц, составляет в военной авиации 40-50 % от общего числа досрочно снимаемых двигателей [104].
Широкое применяемое в двигателестроении поверхностное пластическое деформирование (1ШД) представляет собой совокупность процессов, позволяющих, как правило, снизить шероховатость поверхности детали, создать поверхностный слой с благоприятными (сжимающими) остаточными напряжениями, получить в нём более однородную структуру, создать необходимый рельеф поверхности, снизить влияние на сопротивление усталости концентраторов напряжений и др., что позволяет повысить сопротивление усталости материала детали.
В основе современной физики поверхностей лежит представление о том, что одни явления в приповерхностном слое протекают так же, как в объеме, другие трансформируются, третьи способны протекать на поверхности (при взаимодействии на электронном, атомном, молекулярном уровнях и уровне дефектов, субмикро-, микро- и макроуровнях). Следовательно, процессы 1ІІ1Д являются фоном, на котором протекает ряд других физических процессов.
При рабочих температурах Тэ, не достигающих 0,7 Тст, т.е. температуры старения, влиянием пластического деформирования на длительную прочность можно пренебречь. Однако при температурах Тэ 0,7 Тст в сплавах наблюдаются процессы возврата и рекристаллизации, которые сопровождаются интенсивным окислением, вызванным термодинамической неустойчивостью материала и повышением диффузионной активности атомов легирующих элементов, что приводит к снижению характеристик длительной прочности и жаростойкости пластически деформированного слоя сплавов.
Поэтому детали из жаропрочных сплавов после механической обработки должны иметь минимальную пластическую деформацию поверхностного слоя.
Сквозной наклеп тонкостенных деталей (кроме лопаток) недопустим, так как при этом резко снижается сопротивляемость материала развитию трещин [97, 143].
Поэтому в последнее время большое внимание уделяется наиболее перспективным методам ППД такие как, импульсный лазерный метод, выглаживание поверхности шариком, опирающимся на струю жидкости, а также кавитационный метод [106, 209]. По сравнению с широко применяемыми в настоящее время методами виброгалтовки и дробеструйного упрочнения новые методы имеют три основных преимущества: - более глубокое распространение остаточных напряжений сжатия; - малая степень холодной пластической деформации поверхности, что обеспечивает повышенную стойкость наведенных напряжений сжатия к релаксации при рабочих температурах и вибрации лопаток; - сохраняется исходным или повышается качество поверхности по степени шероховатости.
Прогнозирование предела выносливости поверхностно упрочнённых сплошных цилиндрических образцов из стали 45 по остаточным напряжениям образца-свидетеля
Таким образом, приведены все необходимые соотношения для составления системы алгебраических уравнений, где неизвестными являются перемещения в узлах. Следовательно, решение задачи методом конечных элементов сводится к решению системы линейных алгебраических уравнений.
Расчёты остаточных напряжений по изотропным первоначальным деформациям поверхностного слоя проводили для цилиндрических и плоских деталей. В силу симметрии на конечные элементы треугольной формы разбивали области деталей, используемые в расчётах: D, Dj - наименьший и наибольший поперечные размеры, р0 - радиус впадины концентратора, t - глубина концентратора, с - половина длины детали, (р0 - угол раскрытия концентратора, 8 - толщина слоя с первоначальными деформациями, срупр - половина угла области упрочнения впадины концентратора, Synp - половина длины упрочняемой зоны гладкой детали, а - расстояние от поверхности до текущего слоя. Во всех исследуемых случаях размер с выбирался из условия отсутствия влияния краевого эффекта на распределение остаточных напряжений в области концентратора или в средней части гладкой детали [204].
Для получения сравнительных данных величину первоначальной деформации принимали постоянной по толщине поверхностного слоя, коэффициент Пуассона // =0,3. Кроме напряжений аг, ав, az т для цилиндрической и ах, ау, xw для плоской деталей, определяли также главные напряжения о\, а3 Напряжение а3 в детали с концентратором в тонком поверхностном слое соответствует меридиональному остаточному напряжению а9 . Результаты расчётов представляли в относительных величинах —, где сг0=_т \? и поэтому они применимы к любому материалу. Остаточное напряжение а0 возникает в гладкой детали, когда толщина слоя с первоначальными деформациями 8 - 0. С целью проверки точности результатов, полученных с помощью МКЭ, были проведены расчёты напряжений в гладких цилиндрических и плоских деталях со следующими данными: для цилиндрической детали
Можно видеть, что и в задаче о концентрации напряжений также наблюдается достаточная точность МКЭ. Всё это свидетельствует о том, что принятые конечно-элементные модели деталей обеспечивают достаточную точность расчётов.
В работе рассматриваются изотропные первоначальные деформации, которые имеют место в ряде практических задач, например, при химико-термической обработке. Однако, в таком практически важном случае, как упрочнение методами ППД, первоначальные
При дробеструйной обработке и обработке микрошариками первоначальные деформации в плоскости поверхности детали одинаковы, а нормальная составляющая вдвое больше и имеет обратный знак [155]. Однако нормальная к поверхности первоначальная деформация не должна приводить к заметным остаточным напряжениям, так как она не имеет такого стеснения, как другие компоненты.
Для подтверждения этого предположения было проведено сравнение результатов расчёта для гладкой детали по формулам работы [15]. Следовательно, выводы, вытекающие из расчётов остаточных напряжений по изотропным первоначальным деформациям, можно использовать и для других случаев при одинаковых первоначальных деформациях в плоскости поверхности детали, а в качественном отношении и в более сложных случаях. Ниже рассмотрено распределение остаточных напряжений в деталях с концентраторами, коротких зонах упрочнения.
В настоящее время выбор методов и режимов поверхностного упрочнения проводится, как правило, без учёта формы, размеров концентратора и вариантов упрочнения поверхностного слоя деталей, что не обеспечивает полной реализации эффекта той или иной упрочняющей обработки. В надлежащем учёте указанных факторов содержится резерв увеличения прочности деталей. Поэтому использование данных о распределении остаточных напряжений в наиболее нагруженных зонах концентраторов на этапе выбора технологии поверхностного упрочнения представляется весьма полезным. Рассматривали влияние основных размеров концентратора, упрочнённого слоя
В качестве параметра, характеризующего концентрацию о о остаточных напряжений, была выбрана величина — -, где ах - остаточное напряжение гладкой детали с аналогичными геометрическими данными, J0 -остаточное напряжение гладкой детали при 5 — 0. 2.2.1 Равномерное упрочнение всей поверхности детали с концентратором (вариант а) На рисунке 2.6, а приведены зависимости — на поверхности в среднем сечении плоской детали от В_ для глубокого концентратора. Оказалось, что параметр — в рассматриваемом случае упрочнения детали не влияет на G —(7 _ величину — , и поэтому в дальнейшем приниматься во внимание не будет. В этом сказывается преимущество выбранной характеристики напряжённости по сравнению с более показательной величиной
Остаточные напряжения разрезанного кольца
Для решения задачи МКЭ был использован расчётный комплекс PATRAN/NASTRAN. Конечно-элементная модель в осесимметричной постановке представляла собой четверть сечения цилиндра с наложением соответствующих граничных условий. Принятая длина расчётной области цилиндра исключала влияние краевых зон для сечения, в котором значения компонент остаточных напряжений сравнивались с их значениями при аналитическим решении. При моделировании был использован треугольный шестиузловой осесимметричный конечный элемент типа 2D-Solid.
Первоначальная деформация є0 =0,001 в поверхностном слое моделировалась как температурное расширение тела с использованием ортотропного материала. При этом коэффициент линейного расширения а = 0,00001 принимался в окружном и осевом направлениях системы координат постоянным для всех расчётных случаев, а в радиальном направлении принималась величина а, которая обеспечивает заданные в соответствии с изучаемым вариантом значения 0r . Перепад температуры поверхностного слоя цилиндра относительно внутренней области принимался ЛТ = 100С.
Результаты расчёта распределения остаточных напряжений по толщине поперечного сечения цилиндра в виде графиков приведены на рисунках 3.9 - 3.11. На графиках отсчёт оси у выполняется от поверхности к оси цилиндра (рисунок 3.8).
Из приведённых на рисунках 3.9 - 3.11 распределений остаточных напряжений следует, что при смене знака и увеличении по абсолютной величине первоначальной радиальной деформации радиальные остаточные напряжения ог повышаются в поверхностном слое и внутренней полости цилиндра. Сжимающие окружные (т0 и осевые (Tz остаточные напряжения в поверхностном слое также возрастают. При этом первоначальные радиальные деформации наибольшее влияние оказывают на окружные сжимающие остаточные напряжения, действующие на поверхности цилиндра. МПи ЗО
Следует обратить внимание на то, что при различных вариантах сочетания компонент первоначальных деформаций растягивающие (реактивные) окружные т0 и осевые (Tz (рисунки 3.10 и 3.11) остаточные напряжения постоянны в поперечном сечении цилиндра, на что указывалось в работе [118]. Эта закономерность позволяет считать реактивные остаточные напряжения постоянными при их экспериментальном определении, исходя из уравнений равновесия.
Установлено, что приращение предела выносливости поверхностно упрочнённой детали, в основном, определяется сжимающими остаточными напряжениями, возникающими в тонком поверхностном слое. При прогнозировании приращения предела выносливости детали APR (ACTR,ATR) за счёт поверхностного упрочнения наиболее оправдано использование критерия среднеинтегральных остаточных напряжений аост [130,134,151]. В этом случае величина APR определяется по следующей формуле: где (Tz ( - осевые остаточные напряжения в опасном сечении детали по толщине поверхностного слоя уД = y/tKp - расстояние от поверхности детали до текущего слоя, выраженное в долях tKp , tkp - критическая глубина распространяющейся трещины усталости, возникающей в упрочнённой детали при работе на пределе выносливости.
Необходимые для расчёта приращения предела выносливости по формуле (4) поверхностно упрочнённой детали значения коэффициента влияния фР и критической глубины нераспространяющейся трещины усталости tkp можно вычислить по методикам, изложенным в работах [134,79]. При определении критерия среднеинтегральных остаточных напряжений аост использовалось аналитическое решение задачи теории упругости о перераспределении остаточных напряжений гладкой детали при нанесении на неё надреза полуэллиптического профиля [56]. Из формулы (5) следует, что критерий (Тост зависит только от осевых (JZ(Q остаточных напряжений поверхностного слоя упрочнённой детали. На основании анализа распределения осевых остаточных напряжений, приведённых на рисунке 3.11, видно, что переход от изотропного распределения первоначальных деформаций (вариант 1) к анизотропному (вариант 2 и 3) незначительно изменяет значения осевых сжимающих остаточных напряжений, особенно при удалении от поверхности к оси детали. В соответствии с формулой (3.20) критерий аост, учитывающий характер распределения осевых остаточных напряжений по толщине поверхностного слоя упрочнённой детали, будет изменяться ещё меньше. В связи с этим, из анализа данных рисунка 3.11 и формулы (3.19) можно сделать вывод, что расчёт остаточных напряжений по варианту изотропных первоначальных деформаций (вариант 1) является расчётом в запас прочности упрочнённой детали.
Исследование распределения напряжений в области опасного сечения образцов с галтелями методом конечно-элементного моделирования
Изучалось влияние технологии изготовления полых шлицевых деталей (рисунок 4.32) из сталей 12Х2Н4А и ЗОХГСА на остаточные напряжения и сопротивление многоцикловой усталости. Все детали изготавливались по стандартной технологии, принятой в авиационном двигателестроении. Шлицы имели эвольвентный профиль, получивший наибольшее распространение ввиду высокой надёжности, а также технологичности, и изготавливались фрезерованием методом обкатки на зубофрезерном станке.
Часть шлицевых деталей исследовалась непосредственно после фрезерования (исходное состояние), другая часть подвергалась химико-термической обработке по режимам, представленным в таблице 4.12, а также обработке микрошариками. Исследовалось четыре партии шлицевых деталей из стали 12Х2Н4А и две - из стали ЗОХГСА по вариантам технологии изготовления, приведённым в таблице 4.7.
Окружные Jf остаточные напряжения во впадинах шлиц как до, так и после испытаний на усталость шлицевых деталей определялись по методике, изложенной в работе [49]. Следует отметить, что после испытаний на усталость при напряжениях, близких к пределу выносливости, остаточные напряжения в деталях в исходном состоянии полностью снимались, а после химико-термической обработки практически не изменялись. Наблюдалось заметное рассеяние остаточных напряжений в пределах каждой партии деталей, причём наибольшее рассеяние напряжений имело место в деталях после фрезерования, то есть без химико-термической обработки.
В связи с рассеянием остаточных напряжений, в каждой партии исследовалось по 28 - 30 деталей, а на рисунке 4.70 по толщине поверхностного слоя а представлены средние для каждой партии эпюры окружных о у остаточных напряжений, полученные в результате статистической обработки [148]. Проверка результатов определения остаточных напряжений по критериям асимметрии и эксцесса показала, что рассеяние остаточных напряжений соответствует закону нормального распределения.
Окружные о остаточные напряжения в шлицевых деталях из сталей 12Х2Н4А {а) и ЗОХГСА (б); номера эпюр соответствуют номерам партий деталей таблицы 4.13. Выявление и исключение грубых ошибок проводилось проверкой однородности результатов по квантилю максимального относительного отклонения. Значения меридиональных о остаточных напряжении на поверхности впадин шлиц приведено в таблице 4.14.
Из данных рисунка 4.70 и таблицы 4.14 видно, что цементация приводит к созданию в поверхностном слое впадин шлицевых деталей сжимающих остаточных напряжений на поверхности опв до -1450 МПа, а дополнительная (последующая) обработка микрошариками увеличивает эти напряжения до -1510 МПа. Покрытие цементованных шлицевых деталей электролитическим способом серебром при толщине слоя 3-6 мкм практически не изменяет остаточных напряжений на поверхности шлиц. Обработка микрошариками повышает сжимающие остаточные напряжения не только на поверхности, но и по толщине поверхностного слоя. Распределение остаточных напряжений в цементованных шлицевых деталях из сталей 12Х2Н4А и ЗОХГСА различаются незначительно, так как механические характеристики этих сталей близки.
Следует обратить внимание на значительную величину сжимающих остаточных напряжений оп\ действующих на поверхности шлиц. Эти напряжения превышают не только предел текучести, но и предел прочности материала. В работе [136] показано, что наибольшая величина сжимающих остаточных напряжений в поверхностно упрочнённых образцах и деталях может достигать сопротивления разрыву Sk и даже превышать его, но не более чем на 15%. Этот предел в настоящем исследовании не достигнут.
Испытания на усталость при кручении в случае симметричного цикла шлицевых деталей проводились в соответствии с ГОСТ 25.502-79 на машине РК - 92, база испытаний - 3-Ю6 циклов нагружения. Партии шлицевых деталей для испытаний на усталость изготавливались одновременно с деталями для определения остаточных напряжений по вариантам технологии, приведённым в таблица 4.13. Как правило, в партии для испытаний на усталость было 13-15 деталей.
Испытания на усталость проводились по методу "лестницы" [195]. В соответствии с этим методом, перед проведением испытаний основной партии деталей, определялся приближённо предел выносливости по двум - трём деталям, а затем проводились испытания на усталость всей партии. Средние значения предела выносливости при кручении т_и а также среднеквадратические отклонения ST i определялись по методике работы [195] и приведены в таблице 4.14.
Из данных таблицы 4.14 можно видеть, что цементация шлицевых деталей приводит к существенному повышению сопротивления многоцикловой усталости. Серебрение цементованных деталей несколько снижает, а обработка микрошариками повышает предел выносливости. Во всех случаях шлицевым деталям с большими сжимающими остаточными напряжениями соответствуют большие значения пределов выносливости. Следует отметить, что во всех партиях деталей усталостная трещина зарождалась в не контактирующей части шлиц у дна впадин и развивалась вдоль оси деталей не изменяя направления, то есть по тем площадкам, на которых действуют окружные о9 остаточные напряжения. Это обстоятельство указывает на то, что разрушение деталей носило усталостный характер. Оценка влияния остаточных напряжений на приращение предела выносливости шлицевых деталей Дт_! проводилась по критерию среднеинтегральных остаточных напряжений ооап [130, 134]:
