Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы по теме диссертации и постановка задач исследования 8
1.1. Обзор литературы по теме диссертации 8
1.2. Постановка задач исследования 23
2. Методики определения остаточных напряжений и механических характеристик поверхностного слоя, оборудование для испытаний ... 25
2.1. Методики экспериментального определения остаточных напряжении 25
2.2. Оборудование и методики статических испытаний и испытаний на усталость 41
2.3. Влияние физико-механических характеристик поверхностного слоя на распределение остаточных напряжений в деталях с концентраторами 51
2.4. Расчетно-экспериментальная методика определения механических характеристик поверхностного слоя 64
3. Остаточные напряжения в физически неоднородном поверхностном слое после поверхностного пластического деформирования 70
3.1. Математическая модель формирования остаточных напряжений при поверхностном пластическом деформировании 70
3.2. Закономерности формирования остаточных напряжений в локальных зонах упрочнения 85
3.3. Влияние поверхностного пластического деформирования на закономерности перераспределения остаточных напряжений поверхностного слоя при однократно статическом нагружении 92
4. Механика перераспределения остаточных напряжений в поверхностном слое деталей после поверхностною пластического деформирования при действии циклических нагрузок 102
4.1. Влияние поверхностного пластического деформирования и физико-механических свойств упрочненного слоя на перераспределение остаточных напряжений при циклическом нагружении 102
4.2. Методика прогнозирования предела выносливости деталей, изготовленных поверхностным пластическим деформированием, с использованием принципов механики остаточных напряжений 112
Заключен ие 115
Литература 117
- Влияние физико-механических характеристик поверхностного слоя на распределение остаточных напряжений в деталях с концентраторами
- Математическая модель формирования остаточных напряжений при поверхностном пластическом деформировании
- Влияние поверхностного пластического деформирования на закономерности перераспределения остаточных напряжений поверхностного слоя при однократно статическом нагружении
- Методика прогнозирования предела выносливости деталей, изготовленных поверхностным пластическим деформированием, с использованием принципов механики остаточных напряжений
Введение к работе
Создание машин высокого качества, которые отличаются в первую очередь прочностью отдельных частей, невозможно без привлечения науки. Л основной целью современною машиностроения является обоснование рациональною решения инженерных задач, связанных с созданием машин и сооружений при минимальной затрате материалов надлежащей прочности и жесткости, которые обеспечат необходимую надежность и заданную долювечность рассматриваемой конструкции.
Наиболее характерным силовым воздействием па многие элементы машин в условиях их эксплуатации является действие неременных нагрузок, приводящих во многих случаях к разрушению от усталости материала. Поэтому вопросам сопротивления усталости необходимо уделять особое внимание.
Наиболее существенно на снижение предел выносливости влияет концентрация напряжений, что следует из анализа характера разрушений конструктивных элементов машин: большинство из них относятся к классу усталостных разрушений деталей, имеющих концентраторы напряжений. Основными методами, значительно повышающими сопротивление усталости в условиях концентрации напряжений, являются применяемые при изготовлении деталей современные виды и средства упрочняющей технологии, в частности, широко используемое в современном машиностроении поверхностное пластическое деформирование (ППД). Существенное повышение сопротивления усталости после ППД объясняется возникновением в поверхностном слое деталей сжимающих остаточных напряжений, улучшающих свойства поверхностного слоя; повышаются твердость, прочность, сопротивление отрыву.
В последнее время выполнено большое число исследований по различным проблемам остаточных напряжений. Работы в этой области позволили выяснить влияние технологических факторов на уровень остаточных напряжений, связать различные критерии оценки этою уровня и характеристики усталости разнообразными эмпирическими зависимостями. К сожалению, в настоящее время недостаточно изучена проблема перераспределения остаточных напряжений при циклическом нагружении в деталях с концентраторами, обработанных ППД. Тогда, как выявление закономерностей этого процесса дает возможность создания методики прогнозирования предела выносливости цилиндрических деталей с концентраторами, принципиально не требующей долговременных и дорогостоящих испытаний на усталость.
Решению этой проблемы и посвящена настоящая диссертация, т.е. изучению закономерностей перераспределения остаточных напряжений в упрочненном ППД поверхностном слое цилиндрических деталей с концентраторами напряжений при циклическом нагружении.
С учетом выявленных закономерностей была предложена методика прогнозирования предела выносливости цилиндрических деталей с концентраторами, упрочненных ППД, что особенно важно в случае деталей сложной формы, когда необходимы натурные испытания на дорогостоящей технике. Предложенная методика применима также в случае проведения опытно-конструкторских разработок новых видов машин.
Диссертация выполнена на кафедре сопротивления материалов Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика СП. Королева и состоит из введения, четырех разделов и заключения.
В первом разделе дается аналитический обзор литературы по теме диссертации и постановка задач исследования.
Во втором разделе рассмотрены используемые методики и установки для экспериментального определения остаточных напряжений и механических характеристик поверхностного слоя гладких образцов и образцов с концентраторами, оборудование для статических испытаний и испытаний на усталость цилиндрических образцов. Исследовано влияние физико-механических характеристик поверхностного слоя на распределение остаточных напряжений в деталях с концентраторами.
В третьем разделе рассмотрен процесс и построена математическая модель формирования остаточных напряжений в поверхностном слое деталей после поверхностною пластического деформирования (ППД). На основании проведенных исследований разработана расчетно-э кс пер и ментальная методика определения механических характеристик упрочненного ППД физически неоднородного поверхностного слоя деталей по полученному экспериментально распределению остаточных напряжений.
Четвертый раздел посвящен влиянию ППД и физико-механических свойств упрочненного слоя на перераспределение остаточных напряжений при действии циклических нагрузок. Также разработана методика определения механических характеристик физически неоднородного поверхностного слоя с учетом ППД.
В заключении диссертации содержатся основные выводы и рекомендации, основанные на проведенных теоретических исследованиях и подтвержденные экспериментальными данными.
11а защиту выносятся следующие основные результаты диссертации: модель формирования остаточных напряжений в ослабленном поверхностном слое цилиндрических образцов с концентраторами напряжений после ППД; расчетно-эксперименталытя методика определения механических характеристик упрочненного ППД физически неоднородного поверхностного слоя деталей; закономерности перераспределения остаточных напряжений в поверхностном слое упрочненных ППД деталей в условиях концентрации при действии циклических нагрузок; методика прогнозирования предела выносливости цилиндрических деталей с концентраторами, изготовленными ППД, основанная на закономерностях процессов, происходящих в ослабленном поверхностном слое.
Влияние физико-механических характеристик поверхностного слоя на распределение остаточных напряжений в деталях с концентраторами
Рассмотрим далее работы, в которых приводится подробная классификация и сравнительный анализ методов ускоренной оценки характеристик сопротивления усталости /41, 42, 45, 47, 112, 113, 114/. Они разделены на 4 группы /124/. К первой группе относятся методы, требующие проведения испытаний при циклическом нагружении без доведения образцов до разгружения. В качестве характеристики накопления усталостного повреждения используются различные физические явления, происходящие в металлах в процессе испытания /65/, изменение характеристик магнитного сопротивления, магнитного гистерезиса или вихревых токов /39/, изменение рельефа поверхности /146/, изменение циклического предела упругости /124/ и многие другие методы первой группы могут быть использованы, в основном, лишь при оценке предела выносливости гладких образцов для контроля качества металла при его массовом производстве и потреблении.
Ко второй группе относятся методы, требующие проведения испытаний в условиях стационарно циклического нагружепия с доведением образцов до разгружения при малой долговечности. В этой группе следует различать методы, которые основываются на формальном использовании известных эмпирических уравнений кривых усталости /131/, и методы, позволяющие определять предел выносливости на основе физически обоснованных моделей усталостного разгружения /46, 81, 126/. Методы второй группы трудоемки, поскольку они требуют испытаний на усталость достаточно большого числа образцов. Преимуществом этих методов является возможность учета влияния на предел выносливости конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов. Однако в условиях значительной концентрации напряжений эффективность этих методов падает.
К третьей группе относятся методы, использующие эффект повышения частоты испытаний. Основная область применения этой группы ускоренных методов - получение данных для весьма больших баз испытаний (109 циклов и более), что другими методами осуществить пока невозможно. Затруднения, возникающие при использовании этих методов, связаны с весьма интенсивным выделением тепла в материале вследствие гистсрсзисных потерь. В этих условиях сложно поддерживать заданную температуру образца при различных уровнях циклических напряжений. Влияние скорости приложения нагрузки на предел выносливости изучено недостаточно, что затрудняет сопоставление кривых усталости при низких и высоких частотах.
Четвертая группа методов ускоренного определения предела выносливости основывается на результатах испытаний образцов при программном изменении нагрузки. Наиболее широкую известность из этой группы получили методы Про/150/, Эномото/141/, Локати/145/.
Согласно методу Про между пределом выносливости и разрушающим напряжением при заданной скорости его увеличения а существует зависимость: ст., = а-Ла", где А и п - эмпирические коэффициенты. Метод Про дает завышенные значения предела выносливости (до 20%). Затруднения при его реализации состоят в необходимости иметь оборудование, позволяющее непрерывно увеличить амплитуду напряжений с постоянной скоростью.
Метод Эномото является частным случаем метода Про. Метод Локати основан па линейной гипотезе суммирования повреждений Польмгрена-Майнера /147, 149/, в соответствии с которой условие разрушения при ступенчатом программном изменении нагрузки на п образец при его испытании на усталость записывается в виде У— = 1, где и, - число циклов наработки за время испытаний при напряжении с;, N, - число циклов до разрушения при напряжении т„ к - число уровней ступенчатого нагружения. Основной недостаток этой гипотезы состоит в том, что она не учитывает историю нагружения и последовательность чередования ступеней нагружения. Точность оценки предела выносливости по этому методу зависит от соответствия процесса накопления усталостного повреждения принятой гипотезе. Наибольший интерес для темы диссертации представляют методы ускоренного определения предела выносливости, которые не требуют испытаний на усталость. К ним относится метод, предложенный в работе /125/. В основу метода положены исследования аномальных механических характеристик ослабленного поверхностного слоя с использованием экспериментальных данных о величине и распределении предела текучести но его толщине. При этом предполагалось, что циклические упругопластические деформации не распространяются на глубину, превышающую размер нераспространяющейся трещины усталости. К недостаткам этой работы следует отнести отсутствие данных о различии пределов текучести на растяжение и на сжатие поверхностного слоя, а также недостаточную обоснованность отсутствия уиругопластических деформаций на дне нераспространяющейся трещины усталости. Общим недостатком большинства рассмотренных методов является формальный подход к решаемой задаче, что не позволяет четко определить области применения тех или иных методов, а в ряде случаев приводит к несоответствию расчетных и экспериментальных данных.
Математическая модель формирования остаточных напряжений при поверхностном пластическом деформировании
Известно, что механические характеристики ослабленного поверхностного слоя влияют на величину и распределение остаточных напряжений в поверхностном слое деталей. Поэтому необходимо установить зависимость между остаточными напряжениями, формирующимися в процессе циклического нагружения, и характеристиками поверхностного слоя. Это даст возможность связать воедино свойства ослабленного поверхностного слоя и предел выносливости материала через критерий, учитывающий уровень и характер распределения остаточных напряжений. Известные эмпирические зависимости между пределом выносливости материала и его статическими механическими характеристиками /127/ дают существенное рассеяние результатов, что указывает на низкую корреляцию между этими параметрами.
Более точной является связь между пределом выносливости и распределением предела текучести по толщине ослабленного поверхностного слоя детали /128/. Большинство существующих методов ускоренного определения предела выносливости /41, 43, 45, 46, 47, 73, 81, 112, 114, 117, 128/ хотя и дают сравнительно высокую точность искомых значений, однако используют формальный подход к решаемой задаче, что не позволяет четко определить области применения тех или иных методов. Наиболее обоснованными в этой области представляются исследования, проведенные в работе /21/. Однако их недостатком является узкий диапазон рассматриваемых типоразмеров и материалов деталей.
В диссертации рассматриваются надрезы промежуточного класса. Значения теоретического коэффициента концентрации напряжений аа, приводимые у Г. Нейбера /82/ и у Р. Петерсона /97/, как правило, имеют точные значения только для мелких и глубоких надрезов. Для промежуточных значений геометрических параметров концентраторов введена аппроксимация значений теоретического коэффициента концентрации напряжений некоторой функцией, что вносит определенную погрешность. Для получения более точных величин аа в диссертации была использована специальная методика расчета для цилиндрических образцов с надрезами V-образного профиля /22/. Результаты расчетов для образцов, применяемых в диссертации (табл. 2.1), представлены в таблице 2.4.
Из данных этих таблиц следует, что отличие значений теоретического коэффициента концентрации напряжений, приведенного в ГОСТе и вычисленного с использованием математической модели, может достигать 27%. Отличие значений аа для разных видов деформаций не одинаково - при
растяжении-сжатии отличие значительно больше, чем при изгибе. Наблюдается закономерность - значения коэффициента, вычисленные по данной методике, практически всегда больше соответствующих значений, приведенных в ГОСТе, т.е. данные ГОСТа оказываются заниженными. Превышение эффективного коэффициента концентрации напряжений, наблюдаемое в некоторых исследованиях /64, 127/, именно при растяжении-сжатии можно объяснить, в том числе, и заниженностыо данных по аа для концентраторов промежуточного класса. В таблице 2.4 наряду со значениями ап приведено также расхождение результатов, вычисленных с использованием математической модели и заимствованных из ГОСТ 25.502-79:
Можно видеть, что расхождение достигает 14%, поэтому в дальнейшем в качестве величины теоретического коэффициента концентрации напряжений использовались результаты расчета по данной математической модели. Исследованию подвергались поверхностные слои криволинейной части впадины надреза V-образного профиля, считая его одиночно расположенным на цилиндрическом образце. Именно эта часть образца является ответственной за его разрушение в целом.
В данной работе в качестве объекта исследования были использованы образцы, изготовленные из сталей и жаропрочных сплавов. Выбор объясняется тем, что сталь, как сплав, является структурно стабильным материалом, который широко применяется в машиностроении и наиболее полно исследован в литературе, поэтому большинство экспериментов проводились на этом виде материалов. В то же время в конструкциях газотурбинных и в других двигателях общего назначения большое распространение получили жаропрочные сплавы. Конкретные марки были выбраны из расчета охвата всех ее классов в зависимости от степени пластичности.
Для получения механических характеристик применяемых материалов (их математических ожиданий) была разработана специальная расчетно-экспериментальная методика, согласно которой после статических испытаний образцов с надрезами растяжением и сжатием нагрузками, меньшими макроскопического предела текучести, в поверхностном слое образцов определялись возникшие остаточные напряжения. Далее на основе математической модели /22/ проводились расчеты но подбору величины и характера распределения пределов текучести на растяжение и сжатие по толщине ослабленного поверхностного слоя таким образом, чтобы расчетный уровень и распределение остаточных напряжений соответствовали экспериментальному с достаточной степенью точности (см. раздел 2.4).
Влияние поверхностного пластического деформирования на закономерности перераспределения остаточных напряжений поверхностного слоя при однократно статическом нагружении
Физическая неоднородность поверхностного слоя, как показывают исследования /4, 5, 6, 7, 119, 120, 123, 136, 143, 148/, обусловлена многими факторами, в частности тем, что гетерогенные источники (окисные пленки, микротрещины, ми кро геометри я поверхности и др.), концентрация которых у поверхности всегда выше, чем в объеме материала, действуют при гораздо меньшем уровне внешних напряжений, в отличие от гомогенных источников, возникающих в совершенных областях материала. Таким образом, поскольку поверхность обладает большей степенью гетерогенности, количество легкодействующих источников в приповерхностной области всегда больше, чем в объеме материала.
Ослабленный поверхностный слой, согласно исследованиям, проведенным в работах /6, 18, 119, 120, 136/, имеет аномально низкие механические характеристики, в частности, предел текучести, что объясняется более ранним развитием пластической деформации в поверхностных зернах по сравнению с зернами, расположенными в объеме металла вследствие нескольких причин /18/: возможности выхода дислокаций на свободную поверхность; более низкого напряжения действия источников Франка-Рида, так как 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; наличия в поверхностном слое более ірубой, 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. Этот фактор играет основополагающую роль при построении математической модели. При этом необходимо учитывать такие характеристики поверхностного слоя, как его толщину, величину предела текучести на поверхности, закон распределения предела текучести по толщине поверхностного слоя. Результаты исследований/30, 31, 102, 107, 122, 123/дают возможность получить следующие данные по механическим характеристикам поверхностного слоя: ослабленный слой с аномальными механическими характеристиками имеет толщину порядка 135-220 мкм; напряжение течения на поверхности исследуемых материалов составляет величину порядка 37-41% от общего макроскопического предела текучести; изменение предела текучести по толщине ослабленного слоя имеет линейный характер и подчиняется закону da где а] - предел текучести на поверхности, а - толщина ослабленного слоя. Дальнейшие исследования, проведенные в работе /21/, дали более широкую информацию о механических характеристиках ослабленного поверхностного слоя, в частности, о существенном отличии пределов текучести на растяжение и сжатие этого слоя образцов из сталей и титановых сплавов. Таким образом, учет физической неоднородности ослабленного поверхностного слоя с аномально низкими механическими характеристиками дает основание считать, что даже при нагрузках, соответствующих пределу выносливости, в поверхностных слоях происходят пластические деформации. Поэтому при построении математической модели необходимо учитывать физическую нелинейность постановки задачи, т.е. использовать уравнения и зависимости теории пластичности. Гипотезы, принятие при рассмотрении физической нелинейности задачи Опираясь на теорию пластичности, можно принять несколько гипотез, значительно упрощающих решение задачи. Гипотеза 1: для описания процессов деформирования ослабленного поверхностного слоя применима теория пластичности деформируемого твердого тела. Эта гипотеза обосновывается исследованиями /4/, утверждающими, что механизмы протекания пластической деформации в поверхностном слое детали носят такой же характер, что и для всего тела. Отличие состоит лишь в аномальной концентрации дислокаций и их источников. Эта гипотеза позволяет использовать весь математический аппарат, описывающий физическую нелинейность деформаций тела, для построения модели формирования остаточных напряжений в поверхностном слое детали. Гипотеза 2 предполагает справедливость теории малых упругопластических деформаций А.А.Ильюшина /61/ применительно к рассматриваемому случаю. Это вытекает из положения, что ослабленный поверхностный слой имеет достаточно малую толщину, и при наличии сравнительно малой нагрузки, соответствующей пределу выносливости, основная масса материала детали сплошного поперечного сечения деформируется в упругой области и сдерживает деформирование поверхностного слоя. Эта гипотеза подтверждается и исследованиями /21/, что дает возможность не рассматривать геометрическую нелинейность при построении математической модели. Гипотеза 3 предполагает считать неизменными механические характеристики ослабленного слоя на поверхностях, эквидистантных поверхности детали. За модель реальной поверхности принимается поверхность с самыми низкими механическими характеристиками в связи с тем, что зарождение микротрещин происходит всегда на участках поверхности с минимальной микротвердостыо /142/. Такое предположение не вносит существенный погрешности в расчет, т.к. деформирование отдельно расположенных участков поверхности происходит практически независимо друг от друга.
Методика прогнозирования предела выносливости деталей, изготовленных поверхностным пластическим деформированием, с использованием принципов механики остаточных напряжений
В настоящей главе рассматривается исследование формирования остаточных напряжений в поверхностном слое деталей при ППД. Этот случай упрочнения подразумевает поверхностное пластическое деформирование всей поверхности детали, в том числе и впадины концентратора (рис. 3.1), где д- толщина упрочненного слоя. В таком случае математическое моделирование процессов, происходящих в поверхностном слое, значительно усложняется, в связи с отсутствием достоверных сведений о его механических характеристиках. В то же время не вызывает сомнений, что механические характеристики поверхностного слоя после ППД остаются неоднородными и ниже соответствующих макроскопических характеристик, доказательством чего может служить наличие нераспространяющихся трещин усталости при циклическом нагружении в поверхностном слое, наблюдавшиеся многими исследователями во всех случаях упрочнения /90-95, 102-104/. В большинстве случаев усталостное разрушение начинается с поверхности детали, что косвенно подтверждает выдвинутое предположение.
В то же время исследования И.В. Кудрявцева /74/ но распределению твердости по сечению упрочненного ППД образца показывают увеличение твердости от сердцевины к поверхности, причем ее величина изменяется в зависимости от режима обкатки роликом и материала от 24% до 30%. В исследованиях /36/ указывается на наличие значительного увеличения твердости поверхности образца из высокоуглеродистых сталей при обкатке роликом - увеличение достигало 80%.
Па факт увеличения микротвердости поверхности упрочненного образца указывают также исследования /138/ (увеличение на 20-30% при упрочнении дробью), /25/ (увеличение 50-60% при упрочнении роликом).
Несмотря на достаточно большой разброс данных по увеличению твердости поверхности обработанных ППД образцов однозначно можно установить значительное увеличение предела текучести поверхностного слоя образца после ППД по сравнению с исходным состоянием. В то же время количественно эти результаты не несут достоверную информацию, т.к. микротвердость дает значительное осреднение по глубине поверхностного слоя.
В исследовании /88/ приводятся результаты изменения микротвердости упрочненных гидродробеструйной обработкой и неупрочненных образцов из стали 45. Как известно, микротвердость поверхности образца имеет корреляцию с его пределом текучести. Поэтому, сравнивая результаты измерения, можно на качественном уровне судить о повышении предела текучести поверхностного слоя, хотя численная оценка дает осредненную характеристику, не удовлетворяющую потребностям математической модели. Тем не менее, результаты измерения микротвердости показывают увеличение механических характеристик поверхностного слоя после гидродробеструйной обработки примерно на 37%.
Все остальные методы определения механических характеристик, в том числе /102/, дают также осредненные результаты, не позволяющие разделить величины пределов текучести на растяжение и сжатия. Оценка же возможности применения теоретико-экспериментальной методики определения механических характеристик ослабленного поверхностного слоя, описанной в разделе 2.3, для определения характеристик наклепанного ППД поверхностного слоя, показала хорошие результаты. Это связано, в частности, с применением образцов с V-образными надрезами, имеющими благоприятное распределение рабочих напряжений при растяжении и сжатии, позволяющими подвергать пластическому течению даже наклепанный поверхностный слой (учитывая увеличение предела текучести примерно на 30-40%), при одновременном упругом состоянии основной области поперечного сечения. В дальнейшем результаты исследования дали необходимые результаты (раздел 3.3).
Следующей принципиальной проблемой, стоящей перед созданием рассматриваемой математической модели, является моделирование поля остаточных напряжений, возникающих после ППД. Эта проблема решалась следующим образом. Величина и распределение остаточных напряжений, как в гладких образцах, так и в образцах с надрезами, определяется по методикам раздела 2.1. Проблема использования экспериментального определения остаточных напряжений в математической модели, в отличие от раздела 2.1, в данном случае решается с применением изотропных первоначальных деформаций. Идеально данный инструмент моделирования поля остаточных напряжений подходит для случая химико-термической обработки. Однако, в случае упрочнения ППД, первоначальные деформации нельзя считать изотропными. При дробеструйной обработке и обработке микрошариками первоначальные деформации в плоскости поверхности детали одинаковы, а нормальные составляющие вдвое больше и имеют обратный знак /9/. Однако, нормальная к поверхности первоначальная деформация не должна приводить к заметным остаточным напряжениям, так как она не имеет такого стеснения, как другие компоненты. В работе /93/ показывается, что при малых отношениях толщины упрочненного слоя и поперечного размера детали, что характерно для практики, решения задачи с использованием изотропных и реальных первоначальных деформаций практически не отличаются, а при приближении соотношения к нулю, совпадают.
