Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Аналитический обзор и постановка задач исследования
1.1. Общие сведения об остаточных напряжениях и их классификация 12
1.2. Экспериментальные методы определения остаточных напряжений 14
1.3. Аналитические и феноменологические методы описания формирования остаточных напряжений после процедуры упрочнения 28
1.4. Методы расчёта релаксации остаточных напряжений в упрочнённых деталях вследствие высокотемпературной ползучести 33
1.5. Влияние остаточных напряжений на сопротивление усталости 38
1.6. Выводы, цель и задачи исследования 44
Глава 2. Исследование влияния остаточных напряжений на предел выносливости упрочнённых сплошных и полых цилиндри ческих образцов 47
2.1. Образцы для экспериментальных исследований на многоцикло вую усталость и определения остаточных напряжений 47
2.1.1. Материал, типоразмер образцов для экспериментальных исследований 47
2.1.2. Упрочнение образцов. Термоэкспозиция образцов. Подготовка образцов к определению остаточных напряжений 50
2.2. Методика экспериментального определения остаточных напряжений в упрочнённых сплошных и полых цилиндрических образцах
2.3. Анализ экспериментальных результатов определения остаточных напряжений в гладких образцах 64
2.4. Методика расчёта остаточных напряжений в образцах с надрезом полукруглого профиля 73
2.5. Феноменологический метод оценки предела выносливости упрочнённых цилиндрических образцов с концентраторами напряжений при изгибе 87
2.5.1. Выбор критерия оценки предела выносливости упрочнённых образцов с надрезами 87
2.5.2. Испытания на усталость и оценка предела выносливости упрочнённых цилиндрических образцов с надрезами 89
2.5.3. Статистическая обработка экспериментальных результатов и их анализ 97
2.6. Выводы по разделу 2 104
Глава 3. Теоретическое и экспериментальное исследования влияния температурно-силового нагружения на кинетику остаточных напряжений в полых цилиндрических образцах вследствие ползучести 106
3.1. Экспериментальное исследование ползучести поверхностно упрочнённых образцов из сплава Д16Т при осевом растяжении 106
3.2. Результаты исследования остаточных напряжений в упрочнённых полых цилиндрических образцах из сплава Д16Т после испытаний на ползучесть 121
3.3. Построение реологической модели ползучести сплава Д16Т при Г = 125С 125
3.4. Теоретическое исследование процесса релаксации остаточных на пряжений в полом цилиндрическом образце вследствие ползуче сти при осевом растяжении 129
3.5. Выводы по разделу 3 139
Заключение 142
Список литературы
- Аналитические и феноменологические методы описания формирования остаточных напряжений после процедуры упрочнения
- Влияние остаточных напряжений на сопротивление усталости
- Упрочнение образцов. Термоэкспозиция образцов. Подготовка образцов к определению остаточных напряжений
- Результаты исследования остаточных напряжений в упрочнённых полых цилиндрических образцах из сплава Д16Т после испытаний на ползучесть
Аналитические и феноменологические методы описания формирования остаточных напряжений после процедуры упрочнения
Следует также отметить, что деформации образца связаны не с одним напряжением, а с комбинацией ах — \шу. Нельзя согласиться с мнением автора о том, что графики деформаций и остаточных напряжений подобны.
В статье [1] и монографии [6] рассматривалось разрушение (расслаивание) листовых деталей от остаточных напряжений (рис. 1.1). Для объяснения причины разрушения и количественного описания этого явления использовались изгибающие моменты внутренних сил, расположенные по одну сторону от трещины, что можно считать вполне логичным. Непосредственная причина — остаточные напряжения az в краевой зоне — не рассматривались.
Автор статьи [151] предлагал сократить до весьма небольших размеров длину, на которой снимаются слои полоски. Такой подход приводит к методу канавок [134, 135]. В случае глубокого прореза предлагалось измерять прогиб образца, который по мнению автора пропорционален моменту освободившихся остаточных усилий. Это предположение, вытекающее из теории изгиба бруса, вряд ли справедливо для нагружения, эквивалентного нанесению канавки из-за её малой ширины. При определении опытного коэффициента применялось нагружение, существенно отличающееся от эквивалентного. Не учтён второй компонент остаточного напряжённого состояния, что лишает предлагаемый метод практического значения.
В статье [61] была предпринята попытка применить метод столбиков для определения переменных по глубине остаточных напряжений в пластинах. Однако при определении деформаций столбика применялся способ, справедливый лишь для бесконечного тела, дополнительные напряжения выражались через коэффициенты концентрации, отыскание которых является достаточно сложной задачей теории упругости.
В трудах Иванова СИ. [61, 65, 69] при определении остаточных напряжений в пластинах указанные выше недостатки в работах других авторов были учтены, что позволяет определять распределение остаточных напряжений по толщине поверхностного слоя деталей с достаточной для практики точностью.
В статье [37] описано развитие метода И. И. Давиденкова (метод колец и полосок) для определения остаточных напряжений в толстостенном цилиндре. При определении кольцевых напряжений использовались соотношения для расчёта брусьев большой кривизны. В выводе формул, связывающих остаточные напряжения цилиндра и прогибы полосы, не учтены кольцевые напряжения. Аналогичный вопрос рассматривался в статье [9], в которой обсуждались ошибки, допущенные в предыдущих работах.
Статья [59] посвящена дополнительным напряжениям, возникающим в диске и полосе после их вырезки из цилиндра. Задача решалась экспериментальным путём (механический и рентгенографический методы). Автор считал, что дополнительные радиальные а д и кольцевые (окружные) авд остаточные напряжения в диске отсутствуют, но приведённые им результаты опыта говорят об обратном. Наблюдавшееся освобождение полосы от кольцевых остаточных напряжений являлось результатом их близкого к линейному закону изменения и поэтому не может служить основанием для общих выводов, сделанных в статье. Эти замечания основаны на строгих решениях, полученных методами математической теории упругости [17].
В статье [49] изложен метод дисков и брусков (первый метод дисков). Здесь не учтены дополнительные напряжения 7ГД и о"б»д, возникающие в диске за счёт вырезки из цилиндра. В прогибе полуцилиндра не учтены кольцевые напряжения. Нельзя согласиться с автором в том, что при рассечении цилиндра мери-дианальной плоскостью полностью снимаются радиальные о и кольцевые 7# напряжения.
Учёт дополнительных остаточных напряжений, возникающих в дисках и цилиндрах после расточки и обточки, впервые рассмотрен в статье [41]. Дальнейшим развитием этого исследования явился метод определения остаточных напряжений в наружных и внутренних слоях цилиндра на одном образце, изложенный в работе [42].
В работе [101] рассматривалось изменение остаточных напряжений цилиндрического образца в случае кругового изгиба. При достаточно больших изгибающих напряжениях происходит релаксация остаточных напряжений и, в связи с этим, изменение длины образца. Результаты данного исследования могут служить основанием для создания простого приближённого метода оценки величины остаточных напряжений в детали.
В статьях [206, 207] описан силовой метод определения остаточных напряжений, согласно которому при исследовании детали измеряются не перемещения, а усилия, необходимые для их устранения. Область применения силового метода весьма ограничена, так как многие эквивалентные нагружения (например, распределённое давление на поверхности цилиндра) являются сложными для осуществления. Преимуществом этого метода является возможность исследования деталей из нелинейно упругих материалов без решения сложных задач нелинейной теории упругости.
Статья [102] посвящена определению остаточных напряжений в цилиндрическом образце по результатам исследования его наружных и внутренних слоев. В отличие от работ [17, 42] в статье [102] предлагается использовать приведённую деформационную кривую.
В статье [15] рассмотрены методы определения остаточных напряжений в цилиндрах. Впервые были учтены дополнительные остаточные напряжения при вырезке образцов (диска и полосы). Эта задача решена для случая «плавного» изменения остаточных напряжений вдоль радиуса. Предложен новый метод (второй метод дисков), заключающийся в исследовании диска (без полосы) как при вырезке, так и в процессе снятия слоев.
В статье [103] рассматривалось определение остаточных напряжений в цилиндрах малого диаметра. Допущение о том, что 7# = о = 0, лишает работу практического значения, так как в реальных случаях, вне зависимости от диаметра детали, кольцевое (окружное) напряжение не только отлично от нуля, но имеет одинаковый с осевым напряжением порядок (в дальнейшем будет показано, что это справедливо не для всех технологий упрочнения). В этой работе авторами применяется некорректный метод уточнения деформационной кривой.
Автор статьи [197] предлагал дополнить расточку цилиндра вырезкой элемента на его наружной поверхности в районе наклеенных тензорезисторов. Это позволяет определить остаточные напряжения на наружной поверхности и произвести интерполяцию в неразрезанную область детали.
Статья [8] посвящена развитию метода дисков и брусков (первый метод дисков) для определения остаточных напряжений в цилиндрической детали с произвольным поперечным сечением. Полученные результаты применимы лишь при «плавном» изменении напряжений по сечению.
Влияние остаточных напряжений на сопротивление усталости
Обзор по экспериментальной части диссертации свидетельствует о том, что вопросам влияния остаточных напряжений на сопротивление усталости деталей посвящена обширная литература, однако многие и, к тому же основополагающие задачи измерения, образования, влияния остаточных напряжений, наведённых поверхностным пластическим деформированием, на прочность не были решены ввиду отсутствия до последнего времени аппарата для рассмотрения этих сложных в теоретическом и практическом отношении задач. В первую очередь это касается деталей с концентраторами напряжений, которые широко распространены в конструкциях и нередко испытывают усталостные поломки в местах нарушения призматической формы. В то же время при изготовлении деталей широко применяются методы поверхностного упрочнения, основанные на использовании благоприятного эффекта сжимающих остаточных напряжений, который особенно значителен в условиях концентрации напряжений. Выбор вида и параметров упрочнения, а также оптимизация обработки проводятся, как правило, эмпирическим путём, что значительно усложняет разработку и совершенствование технологии изготовления деталей.
Известные методы определения остаточных напряжений в галтельных переходах, надрезах, резьбах не учитывают дополнительные остаточные напряжения, возникающие при отделении упрочнённого материала от детали, изменение геометрии концентраторов при удалении слоев материала; основаны на приближённых соотношениях между остаточными напряжениями и перемещениями при удалении слоев. В связи с этим они очень мало пригодны для анализа остаточных напряжений в поверхностных слоях детали.
Оценка влияния остаточных напряжений на сопротивление усталости производится либо качественно, либо с использованием остаточных напряжений на поверхности детали, в то время как эксперименты свидетельствуют о значительном влиянии характера распределения остаточных напряжений по толщине поверхностного слоя. Недостаточно данных о влиянии остаточных напряжений для деталей с концентраторами, изготовленных из высокопрочных алюминиевых сплавов, особенно при повышенных температурах, влиянии масштабного фактора для однотипных элементов конструкций.
Обзор теоретических работ по формированию и релаксации остаточных напряжений вследствие ползучести свидетельствует, что здесь имеются методики лишь для сплошных цилиндрических образцов, а методы решения соответствующих краевых задач для полых цилиндрических образцов требуют своего решения.
Цель экспериментальной части работы. Изучить влияние сжимающих остаточных напряжений на сопротивление усталости в условиях концентрации напряжений образцов из высокопрочных алюминиевых сплавов В95, Д16Т при нормальной и повышенной температурах и исследовать влияние растягивающей нагрузки на процесс релаксации остаточных напряжений в полых цилиндрических образцах из сплава Д16Т при Т = 125С.
Исследовать влияние остаточных напряжений на сопротивление усталости в условиях концентрации напряжений в крупногабаритных цилиндрических образцах из сталей 40ХН и 20, упрочнённых обкаткой роликом, при нормальной температуре.
Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи: — разработать методику определения остаточных напряжений в поверхностных слоях цилиндрических образцов с круговым надрезом полукруглого профиля с использованием распределения остаточных напряжений гладкого образца, определённых экспериментальными способами; — провести испытания на усталость при изгибе в случае симметричного цикла неупрочнённых и упрочнённых дробью цилиндрических образцов с над 46 резом из сплавов В95 и Д16Т при нормальной температуре как до, так и после термоэкспозиции; — провести испытания на усталость при изгибе в случае симметричного цикла неупрочнённых и упрочнённых обкаткой роликом цилиндрических образцов большого диаметра из сталей 40ХН и 20 при нормальной температуре; — обосновать возможность использования теории влияния остаточных напряжений на предел выносливости в условиях концентрации применительно к деталям из высокопрочных алюминиевых сплавов В95, Д16Т, сталей 40ХН, 20 и на этой основе создать метод расчёта предела выносливости таких деталей при нормальной температуре, а для деталей из сплавов В95 и Д16Т —и при повышенных температурах; — выполнить цикл экспериментальных исследований по влиянию растягивающей нагрузки на релаксацию остаточных напряжений вследствие ползучести в полых упрочнённых цилиндрических образцах из сплава Д16Т при Т = 125С.
Цель теоретической части работы. Разработать и реализовать методику расчёта релаксации остаточных напряжений в полых цилиндрических образцах под действием растягивающей нагрузки и выполнить проверку её адекватности экспериментальным данным для сплава Д16Т при Т = 125С. Обосновать применимость критерия среднеинтегральных остаточных напряжений для оценки предела выносливости цилиндрических деталей с концентраторами из сплавов В95 и Д16Т, упрочнённых по технологии изотропного упрочнения (пневмодробеструйная обработка поверхности), в условиях нормальных и повышенных температур, и сталей 40ХН, 20 (образцы большого диаметра) после процедуры анизотропного упрочнения поверхности (обкатка роликом) при нормальных температурах.
Упрочнение образцов. Термоэкспозиция образцов. Подготовка образцов к определению остаточных напряжений
Испытания образцов с надрезами на усталость при чистом изгибе в случае симметричного цикла проводились в соответствии с ГОСТ 25.502-79. База испытаний в соответствии с ГОСТом была принята равной 10-Ю6 циклов нагру-жения для алюминиевых сплавов и 3 106 —для сталей. Определение предела выносливости проводилось как по методике, предусмотренной ГОСТ 25.502-79, так и по методу ступенчатого изменения нагрузки (метод «вверх - вниз») [190]. В последнем случае статистические оценки среднего значения и среднего квадратичного отклонения вычислялись по формулам [190]: минимальный уровень напряжений, d — величина приращения напряжения при переходе от одного уровня к другому, г — порядковый номер уровня напряжений, N — полное число менее частых исходов, 7 — число менее частых исходов на г-ом уровне нагрузки. Знак «+» в формуле (2.26) ставится в том случае, когда общее число разрушений больше числа неразрушений, знак « —», когда меньше. Для испытаний на многоцикловую усталость в условиях изгиба образцов из сплавов В95 и Д16Т использовалась машина МУИ-6000 (рис. 2.41). Предварительно осуществлялся комплекс мероприятий, чтобы исключить биение выставленного в цанговых зажимах образца, при этом допустимая величина биения не превышала 0,03 мм (рис. 2.42).
Для соблюдения однородности испытаний каждая серия образцов испыты-валась на одной и той же машине. При этом достоверность экспериментальных данных, в основном, определялась точностью силоизмерения и тщательностью тарировки. На рис. 2.44 представлены разрушившиеся в процессе испытаний на усталость неупрочнённые образцы, а на рис. 2.45 —упрочнённые образцы.
Выстоявшие базу испытаний образцы при напряжениях, равных пределу выносливости, доводились до разрушения при больших напряжениях с целью обнаружения нераспространяющихся трещин усталости. В неупрочнённых образцах таких трещин обнаружено не было, а во всех упрочнённых образцах нераспространяющиеся трещины усталости просматривались чётко (рис. 2.46-2.49). Рис. 2.42. Образцы в цанговых зажимах испвітателвной машинві
Экспериментальные данные для предела сопротивления усталости упрочнённых ПДО и неупрочнённых образцов из сплавов В95 и Д16Т, а также экспериментально измеренные величины tKp: расчётные значения 70ст согласно формулы (2.19) и параметров фа и фа аппроксимации (2.22) и (2.24) соотвествен Рис. 2.44. Разрушившиеся в процессе испвітаний на усталость неупрочнённые образцы
Разрушившиеся в процессе испытаний на усталость упрочнённые образцы но приведены в табл. 2.3, а после ПДО и последующей термоэкспозиции — в табл. 2.4. Отметим, что для вычисления интегралов в (2.19) использовались экспериментальные эпюры, представленные на рис. 2.37 и 2.38.
Анализ данных таблиц 2.3 и 2.4 позволяет заключить, что коэффициент фа, учитывающий влияние характера распределения остаточных напряжений в наименьшем сечении детали, равен в среднем для образцов после ПДО 0,373, а для образцов после ПДО и термоэкспозиции — 0,368. Экспериментально определённые размеры критической глубины нераспространяющихся трещин усталости tKp (рис. 2.46-2.49), обнаруженных в упрочнённых образцах, выстоявших Рис. 2.49. Фрагмент поперечного сечения разрушенного упрочнённого ПДО с последующей термоэкспозицией образца с р = 0,3 мм из сплава Д16Т: 1—надрез, 2 — нераспространяю-щаяся трещина, 3 — зона до л ома
Можно видеть, что для полых образцов коэффициент фа: учитывающий влияние упрочнения через критерий среднеинтегральных остаточных напряжений тост, для сплавов Д16Т, В95 и при температуре Т = 125 С достаточно близок к значению фа = 0, 36, установленному в работе [145] для образцов и деталей с аналогичной концентрацией напряжений.
При оценке влияния ПДО на предел выносливости образцов из сплавов В95 и Д16Т по критерию остаточных напряжений сг" на поверхности опасного сечения соотвествующий коэффициент г\)а изменяется от 0,112 до 0,245, то есть от реализации к реализации может изменяться в 2,2 раза. Такое значительное изменение коэффициента влияния г\)а не позволяет использовать критерий 0"" ДЛЯ оценки влияния поверхностного упрочнения на предел выносливости деталей в условиях концентрации напряжений из высокопрочных алюминиевых сплавов В95 и Д16Т.
Испытания на усталость при изгибе в случае симметричного цикла образцов с надрезами из сталей 40ХН и 20 проводились на машине УМП-02 [196].
Выстоявшие базу испытаний упрочнённые сплошные образцы при напряжениях, равных пределу выносливости, так же как и образцы из сплавов В95 и Д16Т, доводились до разрушения при больших напряжениях. В этих образцах также были обнаружены нераспространяющиеся трещины усталости, глубина которых соответствовала зависимости (2.20).
Результаты испытаний на усталость образцов с надрезами из сталей 40ХН и 20 приведены в табл. 2.5. Из данных табл. 2.5 видно, что при оценке влияния обкатки роликом на предел выносливости образцов с надрезами по критерию среднеинтегральных остаточных напряжений 70ст соотвествующий коэффициент г\)а изменяется в 1,2 раза, составляя в среднем 0,350. Это значение коэффициента г\)а незначительно отличается от величины фа = 0,36, установленной в работе [145] для образцов и деталей с аналогичной степенью концентрации напряжений, упрочнённых достаточно широким спектром методов.
Результаты исследования остаточных напряжений в упрочнённых полых цилиндрических образцах из сплава Д16Т после испытаний на ползучесть
Имея теперь начальное напряжённо-деформированное состояние в образце после процедуры упрочнения и реологическую модель (3.7) для сплава Д16Т (Т = 125С), численно реализована методика расчёта релаксации остаточных напряжений в полом цилиндрическом образце в условиях ползучести при четырёх уровнях напряжений: а = 353, 385, 413, 420 МПа.
При численной реализации производилась дискретизация по пространственной и временной координатам и задача релаксации решалась «шагами» по времени, то есть шкала времени разбивалась с шагом At = ti+\ —ti (і = 0,1, 2,...), в пределах каждого интервала t Є [ti, ti+i] напряжения полагались постоянными и равными значению при t = ti, а все приращения деформации ползучести вычислялись решением системы дифференциальных уравнений (3.7) по методу Эйлера. В конце интервала при t = ti+\ происходит упругая догрузка напряжений. Все производные от компонент тензоров остаточных пластических деформаций и деформаций ползучести вычислялись стандартным образом через конечные разности, а интегралы —по формулам численного интегрирования.
Результаты расчёта компоненты az = az(a) (как отмечено в главе 2, эта компонента играет решающую роль в оценке сопротивления усталости упрочнённых цилиндрических деталей) после ползучести в условиях одноосного растяжения приведены на рис. 3.18- 3.21 (штриховая линия, отмеченная цифрой 2). Анализ результатов расчёта свидетельствует о том, что растягивающая нагрузка существенно влияет на процесс релаксации остаточных напряжений. Так, для напряжения azo = 353 МПа величина остаточных напряжений уменьшилось по модулю почти в 3 раза, а для остальных значений azo — в 4-7 раз.
Сравнивая расчётные значения остаточных напряжений (рис. 3.18- 3.21) с экспериментальными значениями (рис. 3.13- 3.16), видим, что количественные данные различаются существенно. Но если не рассматривать экспериментальные данные на поверхности образца (точнее — в малой подповерхностной области а Є [0; 0,025] мм), которые в методе колец и полосок получаются экстраполяцией экспериментальных данных, то можно констатировать, что фактически произошла полная релаксация остаточных напряжений в процессе ползучести. По всей видимости, полученные экспериментальные данные находятся на границе области «чувствительности» метода колец и полосок, при этом отрицательное влияние на этот метод, по всей видимости, оказал большой разброс данных по ползучести в пределах даже одного образца. Отталкиваясь от такой позиции, можно констатировать, что с точки зрения практики экспериментальные и расчётные данные дают полную релаксацию остаточных напряжений вследствие ползучести.
Разработана и изготовлена установка для проведения испытаний цилиндрических образцов из сплава Д16Т на ползучесть при повышенной температуре с блоком терморегулирования и поддержания заданной темпера 140 туры в процессе испытаний.
Проведены экспериментальные исследования ползучести упрочнённых ПДО полых цилиндрических образцов из сплава Д16Т под действием растягивающих нагрузок при температуре 125 С для определения устойчивости остаточных напряжений к высокотемпературным деформациям и оценки их кинетики во времени.
Установлено, что в результате ползучести при температуре 125 С под действием растягивающей нагрузки распределение экспериментальных осевых jz и окружных (JQ остаточных напряжений в упрочнённых ПДО образцах из сплава Д16Т претерпевает значительное изменение, перераспределяясь от сжимающих к растягивающим остаточным напряжениям.
Построена феноменологическая модель ползучести сплава Д16Т при Т = 125С в условиях одноосного и сложного напряжённых состояний на основе одоосных экспериментальных данных при напряжениях а = {353; 385; 413; 420 } МПа, при этом наблюдается хорошее соответствие расчётных и экспериментальных данных.
Реализован метод расчёта релаксации остаточных напряжений в полом цилиндрическом образце в условиях одноосного растяжения на примере ползучести образцов из сплава Д16Т при Т = 125С. Расчётным путём показано, что происходит существенное падение уровня остаточных напряжений в 4 -ь 7 раз.
Анализ расчётных и экспериментальных зависимостей остаточных напряжений с точки зрения инженерных приложений позволяет сделать вывод о практически полной релаксации остаточных напряжений в упрочнённых цилиндрических образцах из сплава Д16Т в условиях одноосного растяжения вследствие ползучести.
Выявленные закономерности изменения остаточных напряжений в упрочнённых ПДО образцах из сплава Д16Т необходимо учитывать при прогнозировании характеристик сопротивления усталости поверхностно упрочнённых деталей из этого сплава, работающих при повышенных температурах.