Влияние толщины упрочнённого слоя на сопротивление усталости при опережающем поверхностном пластическом деформировании

В исследовании изучалось влияние толщины упрочнённого поверхностного слоя при опережающем поверхностном пластическом деформировании (ОППД) образцов из стали 20 диаметром 25 мм с отверстием диаметром 15 мм на предел выносливости при изгибе. Гладкие образцы подвергались пневмодробес-труйной обработке (ПДО) дробью диаметром 1,5–2,5 мм при давлении воздуха 0,28 МПа в течение 10 минут, а также обкатке роликом (ОР) диаметром 60 мм и профильным радиусом 1,6 мм при усилии Р =0,5 кН и Р =1,0 кН с подачей 0,11 мм/об и скоростью вращения образца 400 об/мин. Затем на все упрочнённые и неупроч-нённые гладкие образцы наносились круговые надрезы полукруглого профиля трёх радиусов: R =0,3 мм, R =0,5 мм и R =1,0 мм.

Остаточные напряжения в гладких образцах определялись экспериментально методом колец и полосок [1]. Распределение осевых σ _z остаточных напряжений по толщине поверхностного слоя а гладких образцов приведено на рис. 1. Из данных рис. 1 следует, что после нанесения на упрочнённые ПДО образцы надрезов с радиусами R =0,3 мм и R =0,5 мм материал на дне концентраторов находился в ненаклё-панном состоянии. Такое же состояние наблюдалось после нанесения на упрочнённые ОР образцы при Р =0,5 кН надрезов с радиусом R =0,5 мм. Для образцов с надрезами R =1,0 мм во всех случаях упрочнения материал на дне концентраторов находился в ненаклёпан-ном состоянии.

В остальных случаях обкатки роликом материал на дне надрезов находился в наклёпанном состоянии ( Р =0,5 кН – R =0,3 мм; Р =1,0 кН – R =0,3 мм и R =0,5 мм). Остаточные напряжения в упрочнённых образцах с надрезами определялись аналитическим методом –

Михалкина Светлана Алексеевна, старший преподаватель кафедры высшей математики суммированием дополнительных остаточных напряжений и остаточных напряжений гладких образцов [2], а также численным методом с использованием программного комплекса NASTRAN/PATRAN [3].

упрочнённых гладких образцах после:

1 – ПДО; 2 – ОР, Р =0,5 кН; 3 – ОР, Р =1,0 кН

Рис. 2. Осевые σ _z остаточные напряжения в упрочнённых образцах с надрезами ( ––––– – R =0,3мм; – – – – R =0,5 мм ) после:

1 – ПДО; 2 – ОР, Р =0,5 кН; 3 – ОР, Р =1,0 кН

Распределение осевых σz остаточных напряжений по толщине поверхностного слоя а наименьшего сечения образцов приведено на рис. 2 и рис. 3. Анализируя данные рис. 1–3, можно видеть, что при практически одинаковых максимальных остаточных напряжениях гладких образцов в образцах с надрезом одной глубины остаточные напряжения тем выше, чем больше толщина упрочнённого поверхностного слоя гладких образцов со сжимающими остаточными напряжениями. Эта закономерность объясняется концентрацией остаточных напряжений в области дна надреза. Испытания на усталость при изгибе в случае симметричного цикла образцов с надрезами проводились на машине УММ-01 [4], база испытаний – 3·106 циклов нагружения.

Рис. 3. Осевые G z остаточные напряжения в упрочнённых образцах с надрезами R =1,0 мм после: 1 –

ПДО; 2 – ОР, Р =0,5 кН; 3 – ОР, Р =1,0 кН

Результаты испытаний на усталость по определению предела выносливости G - 1 представлены в табл. 1.

Распределение осевых G z остаточных напряжений по толщине поверхностного слоя а наименьшего сечения образцов приведено на рис. 2 и рис. 3. Анализируя данные рис. 1–3, можно видеть, что при практически одинаковых максимальных остаточных напряжениях гладких образцов в образцах с надрезом одной глубины остаточные напряжения тем выше, чем больше толщина упрочнённого поверхностного слоя гладких образцов со сжимающими остаточными напряжениями. Эта закономерность объясняется концентрацией остаточных напряжений в области дна надреза. Испытания на усталость при изгибе в случае симметричного цикла образцов с надрезами проводились на машине УММ-01 [4], база испытаний – 3·10⁶ циклов нагружения. Результаты испытаний на усталость по определению предела выносливости G - 1 представлены в табл. 1.

Таблица 1. Результаты испытаний на усталость и определения остаточных напряжений

Надрез R , мм	Неупрочн. образцы G - 1 , МПа	Упрочнённые образцы
		упрочн. обр-ка	G - 1 , МПа	пов G z , МПа	W g	t кр , мм	G ост , МПа	W g
0,3	95	ПДО	127,5	-307	0,106	0,452	-88	0,368
		ОР1	155	-732	0,082	0,445	-181	0,331
		ОР2	177,5	-861	0,096	0,442	-248	0,333
0,5	110	ПДО	127,5	-124	0,121	0,438	-47	0,372
		ОР1	152,5	-311	0,137	0,442	-128	0,332
		ОР2	182,5	-517	0,140	0,446	-218	0,333
1,0	90	ПДО	95	-29	0,175	0,410	-14	0,357
		ОР1	105	-77	0,195	0,420	-39	0,384
		ОР2	110	-105	0,191	0,420	-53	0,377

Выстоявшие базу испытаний упрочнённые образцы при напряжении, равном пределу выносливости, доводились до разрушения при бόльшем напряжении. Во всех упрочнённых образцах были обнаружены нераспространяющиеся трещины усталости, средняя глубина tкр которых для каждой партии образцов представлена в табл. 1. На рис. 4 приведена фотография излома упрочнённого ОР при Р = 1,0 кН образца с надрезом радиуса R=0,5 мм, на которой видна серповидная нераспространяющаяся трещина 2. Следует отметить, что значения tкр , измеренные в настоящем исследовании, хорошо согласуются с установленной ранее [5, 6] зависимостью tp = 0,0216 ■ D

1 - 0 , 04 ■1 - 1 - 0 , 54 ■1 - 1 V D )      V D J

где D – диаметр опасного сечения упрочнённого образца (детали) с концентратором напряжений, d – диаметр отверстия.

Из данных табл. 1 видно, что с увеличением глубины надреза приращение предела выносливости упрочнённых образцов снижается, так как уменьшаются сжимающие остаточные напряжения в их опасном сечении. Поэтому для сохранения эффекта упрочнения при ОППД с увеличением глубины надреза необходимо увеличивать толщину слоя гладкой детали со сжимающими остаточными напряжениями.

Рис. 4. Фотография излома упрочнённого роликом при Р= 1,0 кН образца с надрезом R =0,5 мм: 1 – надрез, 2 – нераспространяющаяся трещина, 3 – зона долома

Для оценки приращения предела выносливости Ag i за счёт поверхностного упрочнения использовались два критерия влияния остаточных напряжений на предел выносливости при изгибе в случае симметричного цикла. Первым критерием [7-11] являются осевые остаточные напряжения σzпов на поверхности концентратора. Зависимость для определения приращения предела выносливости А ст 1 упрочнённых образцов (деталей) в этом случае имеет вид

Аст-1 =      • |ст"°в|,                 (2)

где ψσ – коэффициент влияния остаточных напряже- пов ний по критерию σz   на предел выносливости по разрушению.

Для определения второго критерия в работе [12] использовалось решение задачи [2] о дополнительных остаточных напряжениях в наименьшем сечении образца (детали) после нанесения надреза полуэллипти-ческого профиля на упрочнённую поверхность. Выделив основную часть решения [2], был получен второй критерий σост влияния остаточных напряжений на предел выносливости образца (детали) в виде

σ ост

2 . f ст . ( ^ )

п 0^-^

d ξ ,

где CTz (^) - осевые остаточные напряжения в опасном сечении образца (детали), ξ= a tкр – расстояние от дна концентратора до текущего слоя, выраженное в долях tкр , tкр – критическая глубина нераспростра-няющейся трещины усталости, возникающей при работе образца (детали) на пределе выносливости.

Критерий σост , который называется критерием среднеинтегральных остаточных напряжений, имеет чётко выраженный физический смысл – это остаточное напряжение на дне нераспространяющейся трещины усталости с точностью до постоянного коэффициента, зависящего от радиуса у дна трещины и её глубины. Приращение предела выносливости А ст-1 при изгибе в случае симметричного цикла при исполь- зовании критерия σост определяется по следующей формуле:

∆σ - 1 = ψ σ ⋅ σ ост ,           (4)

где ψσ – коэффициент влияния остаточных напряже- ний по критерию σост на предел выносливости по разрушению.

Значения остаточных напряжений на поверхности надрезов σ _z ^пов и среднеинтегральных остаточных напряжений σ _ост приведены в табл. 1. По результатам испытаний на усталость неупрочнённых и упрочнённых образцов вычислялись коэффициенты ψ_σ и ψ_σ , значения которых представлены в табл. 1. Из данных табл. 1 можно видеть, что оценка влияния поверхностного упрочнения на предел выносливости образцов по первому критерию – остаточным напряжениям на поверхности концентратора σ _z ^пов – приводит к значительному рассеянию коэффициента ψ_σ . Этот коэффициент в настоящем исследовании изменяется в широких пределах – от 0,082 до 0,195, то есть почти в 2,5 раза, что неприемлемо для прогнозирования предела выносливости поверхностно упрочнённых деталей.

Оценка влияния поверхностного упрочнения по второму критерию – среднеинтегральным остаточным напряжениям σ _ост – приводит к существенно мéнь-шему рассеянию соответствующего коэффициента ψ_σ . Это объясняется тем, что критерий среднеинтегральных остаточных напряжений учитывает влияние на сопротивление усталости не только величины сжимающих остаточных напряжений, но и характера их распределения по толщине поверхностного слоя опасного сечения детали (образца). Коэффициент ψ_σ в проведенном исследовании изменяется от 0,331 до 0,384, составляя в среднем 0,354, и практически совпадает со значением ψ_σ =0,36, установленным в [6] для упрочнённых образцов и деталей с аналогичной концентрацией напряжений.

Необходимо отметить, что на значения коэффициентов ψ_σ и ψ_σ не оказывает влияние состояние материала на дне концентраторов. Из данных табл. 1 видно, что не наблюдается определённой зависимости между величинами коэффициентов ψ_σ , ψ_σ и наклёпанным или ненаклёпанным состоянием материала образцов.

Выводы: проведенное исследование показало, что с уменьшением толщины упрочнённого слоя при ОППД сжимающие остаточные напряжения в опасном сечении детали уменьшаются, в результате чего приращение предела выносливости за счёт упрочнения снижается. Для сохранения эффекта упрочнения с увеличением глубины надреза необходимо увеличивать толщину упрочнённого поверхностного слоя со сжимающими остаточными напряжениями при ОППД.