Определение величин остаточных напряжений по значению остаточного прогиба образца, подвергнутого термопластическому упрочнению

Термопластическое упрочнение (ТПУ) используется при изготовлении ответственных деталей, работающих при повышенных температурах и знакопеременных нагрузках, типа лопаток и дисков турбин газотурбинных двигателей (ГТД). За счет формирования в поверхностном слое благоприятных сжимающих остаточных напряжений с большой их глубиной залегания при минимальных пластических деформациях повышается надежность и долговечность упрочненных деталей. Подробно процесс ТПУ описан в работе [1]. Схематично технология ТПУ представлена на рис. 1.

Для реализации технологии ТПУ были разработаны установки и способы упрочнения, которые защищены патентами [2-7]. Различные аспекты технологии ТПУ описаны в работах [11-15].

ОБСУЖДЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ

Критерием качества упрочнения является соответствие параметров эпюры остаточных напряжений указанным в технических условиях. В первую очередь максимальные по абсолютной величине сжимающие остаточные напряжения σ и глубина активной части эпюры h . Эти ост max                                           H параметры можно определить различными методами:

• -    расчетным;

• -    экспериментальным;

Якимов Михаил Владимирович, ассистент.

• -    с использованием образцов-свидетелей.

Расчетный метод подробно изложен в работе [8]. Он основан на технологических параметрах процесса ТПУ: температуре нагрева θ , времени выдержки при этой температуре τ и давлении охлаждающей жидкости p .

Кроме технологических параметров не менее важными являются химический состав, физико-механические и теплофизические свойства материала упрочняемой детали. Все теоретические и экспериментальные исследования были проведены на деталях и образцах из сплава ЭИ893. Свойства этого сплава приведены в таблицах 1-3.

Из таблиц видно, что физико-механические свойства значительно зависят от температуры нагрева, что необходимо учитывать в расчетах.

На рис. 2 приведены эпюры остаточных напряжений, рассчитанные при различных, приближенных к реальным, условиях. Основные параметры выбирались:

• -    постоянными при T=20 ^oС;

• -    средние в интервале температур Т=20 ^÷ 700 ^oС;

• -    с учетом влияния температуры.

На рис. 2 нанесена также эпюра остаточных напряжений, полученных опытным путем [8].

Сопоставление позволяет сделать заключение, что наилучшее приближение к опытной эпюре остаточных напряжений наблюдается в том случае, если при расчетах учитывается влияние температуры на физико-технологические параметры.

Экспериментальные исследования проводились по методике Давиденкова Н.Н. [9] с уточнениями Биргера И.А. [10]. Образцы для исследований вырезались из натурных лопаток (рис. 3) и плит определенной толщины.

Рис. 1. Блок-схема технологического процесса термопластического упрочнения детали

Таблица 1. Марочный химический состав, %

C	Si	Mn	Cr	Ni	W	Mo	Ti	Al	B	Ce	S	P
не более									по расчету		не более
0,08	0,5	0,5	15 17	Основная	8-10	4-5	1,2 1,6	1,2 1,6	0,010	0,025	-	-

Таблица 2. Нормы механических свойств при 20 ⁰С сортового материала

Обработка	Температура испытания, ° C	^ в	^ 0,2	δ	ψ	a H , кгс • м 2 см
		кгс / мм 2		%
		не менее
1180 ° C, 2 ч, воздух;	20	90	60	15	20	7
80° ° C, 12 ч, воздух	750	55	-	8	12	-

Определение остаточных напряжений методом травления имеет свои особенности, которые описаны ниже.

Установка для определения прогибов состоит из корпуса 1, на котором смонтированы все основные узлы приспособления (рис. 4).

Узел 2 для крепления исследуемого образца 3, имеющий способность перемещаться по направляющим корпуса 1 в зависимости от длины образца, узел 4 для крепления балочки 5, позволяющий задавать начальный прогиб балочки (f=1,0 мм), необходимый для постоянного контакта ее с образцом. Балочка представляет собой упругую стальную пластинку толщиной 0,3 мм, с обеих сторон которой прикреплены тен- зодатчики, являющиеся активным сопротивлением, меняющимся в процессе деформации ба-лочки (образца). Она выполняет роль одного из двух плеч мостовой схемы сопротивлений (T1, T4) (Рис. 3.2), другим плечом которой (T2, T3) является система сопротивлений регистрирующего прибора (например, КСП-4, ЭПП-09М). Таким образом, датчик-мост состоит из четырех тензодатчиков T1 - T4, потенциометра R, служащего для балансировки моста, и блока питания Б.

Этот метод достаточно широко апробирован и его достоверность не вызывает сомнений. Однако он имеет существенные недостатки: разрушение изделия, трудоемкость процесса, опасность из-за использования сильнодействующих кислот.

Таблица 3. Физические свойства сплава

Удельный вес, г / см	8,794
Модуль упругости E • 10 - 4, кгс / мм 2	20 ° C				75° ° C						8°° ° C
	2,23				1,74						1,65
Коэффициент линейного 6 расширения а 10	2° - 10° ° C							2° - 75° ° C
	11,3							14,4
Теплопроводность, кал / см • сек • град	2° ° C	2°° ° C	3°° ° C			4°° ° C		5°° ° C		6°° ° C			7°° ° C	8°° ° C
	0,030	0,031	0,033			0,037		0,041		0,048			0,056	0,065
Электропроводность 1 Г\ 4       — 1        — 1 • 10 , ом • см	2°° ° C	3°° ° C		4°° ° C			5°° ° C		6°° ° C			7°° ° C		8°° ° C
	0,716	0,711		0,705			0,700		0,700			0,707		0,718

Рис. 2. Остаточные напряжения после ТПУ (материал ЭИ893; Т_упр=700 ^оС):

1 – расчет; λ = λ (T); С=С(T); 2 – расчет; λ = λ ₂₀⁰С; С=С₂₀^оС; 3 – расчет; λ = λ _m0; С=С_m; 4 – эксперимент

Рис. 3. Разметка профильной части лопатки

Метод с использование образцов-свидетелей позволяет для исследований остаточных напряжений не разрушать упрочняемые натурные детали. Так как эпюры остаточных напряжений при термопластическом упрочнении весьма ти-

Рис. 4. Схема установки для определения остаточных напряжений на призматических образцах

Рис. 5. Схема технологического процесса упрочнения образцов-свидетелей

пичны [11], то параметры этих эпюр можно рассчитать по прогибу образцов-свидетелей после упрочнения.

На рис. 5 показана схема использования образцов-свидетелей при термопластическом упрочнении.

На рис. 6 приведена эпюры распределения остаточных напряжений экспериментально полученные методом Н. Н. Давиденкова и аппроксимированные двумя вариантами. Остаточные напряжения по толщине образца самоуравнове-шенные.

Значения экспериментальных величин, используемых при проверке корректности методики приведены в таблице 4.

Ниже приводится методика расчета эпюры остаточных напряжений по прогибам образцов-свидетелей при различных аппроксимациях эпюр. Для проверки данной методики используются конкретные данные экспериментов.

Изгибающий момент в поперечном сечении образца соответствующий остаточным напряжениям определяется интегральным выражением, которое в данном случае разбивается на два интеграла

h y                  h - h y

M = b J о y ydy + b J о ydy , 00

где о _y - функция напряжения на участке упрочнения, о - функция напряжения на упругом участке.

Рассмотрим прямоугольную и треугольную формы аппроксимации экспериментально построенного профиля остаточных напряжений в упрочненном слое.

Из условия самоуравновешенности напряжений определим наибольшие остаточные напряжения по формулам:

^ p max

2а h max

h — h y

2 • 600 • 2

2 - 0 . 6

= 514 . 28 МПа

для прямоугольного профиля,

^ pmax

^ mox h y ^h — ^hy

600 • 0 . 6

2 - 0 . 6

= 257 . 14 МПа

для треугольного профиля.

Самоуравновешенной системе остаточных напряжений соответствует напряженное состояние чистого изгиба. Изгибающие моменты в

a)                             6)

в)

Рис. 6. Эпюры остаточных напряжений по толщине образца после ТПУ: а) экспериментальный профиль, б) прямоугольный профиль, в) треугольный профиль

Таблица 4. Значения экспериментальных величин

Наименование величины Значение Температура нагрева 0,0С 720 Время выдержки Т , мин. 10 Давление охлаждающей жидкости p , МПа 0,5 Максимальные остаточные сжимающие напряжения a max, МПа 600 Максимальные остаточные растягивающие напряжения apmax, МПа (для прямоугольного профиля) 514,28 Максимальные остаточные растягивающие напряжения Q^,, МПа и max (для треугольного профиля) 257,14 Толщина образца h, мм 2 Толщина упрочненного слоя hy, мм 0.6 Ширина образца b, мм 10 Длина образца l, мм 100 Модуль упругости материала E, МПа 2 -105 сечении образца определяем по формулам:

^M = । ^ max bh y ( ⁴ h - h y ) =

= 1600-10 - 0.6 (4 - 2 - 0.6) = 4440Hmm для прямоугольного профиля,

M = ¹ a bM = ¹600 - 10 • 2 • 0 . 6 = 2400 Hmm — max y —

для треугольного профиля.

Образцы, обработанные по методу термо-

пластического упрочнения, имеют выпуклость со стороны обработанной поверхности.

Для определения остаточного прогиба образ-

Рис. 7. Расчетная схема образца для определения прогиба и его поперечное сечение

ца после термопластического упрочнения примем балочную схему с учетом симметрии рис. 7. Для моделирования чистого изгиба консольную балку нагружаем изгибающим моментом, соот-

ветствующим остаточным напряжениям.

Прогиб свободного конца консольной балки определяем по формуле:

Ml1

EJz

4 . 44 • 0 . 05²

2 - 10¹¹ • 9 . 867 - 10 ^{- 12}

= 2 . 81 - 10 — ³ m

для прямоугольного профиля,

У =

Ml1

EJ z

2 . 4 • 0 . 05²

2 - 10¹¹ • 9 . 867 - 10 ^{- 12}

= 1 . 52 - 10 ^{- 3} m

для треугольного профиля.

Для определения осевого момента инерции поперечного сечения образца нейтральную линию при изгибе принимаем совпадающей границей термопластического упрочнения (рис. 2).

Осевой момент инерции определяем по формуле

J = — + a² bh = ^^ + 0 . 4² - 10 • 2 = 9 . 867 mm ⁴

^z 12            12

где a=0.4мм – смещение нейтральной оси сечения относительно оси симметрии.

ВЫВОДЫ

Анализ результатов расчетов по данной методике показывает преимущество аппроксимации по варианту б (рис. 6). Погрешность данных, полученных при использовании данного метода, по сравнению с экспериментальными σ _max и Q не превышает 10 %.