Содержание
Введение............................................................... 4
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 напряжений....................................................... 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
Заключение........................................................... 115
Литература........................................................... 117
Введение
Создание машин высокого качества, которые отличаются в первую очередь прочностью отдельных частей, невозможно без привлечения науки. Л основной целыо современною машиностроения является обоснование рационального 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 на многие элементы машин в условиях их эксплуатации является действие переменных 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
4
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 С.П. 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
5
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-экспериментальная 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.
I 1а защиту выносятся следующие основные результаты диссертации:
• модель формирования остаточных напряжений в ослабленном поверхностном слое цилиндрических образцов с концентраторами напряжений после ППД;
• расчетно-экспериментальная 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
6
закономерностях процессов, происходящих в ослабленном поверхностном слое.
7
1. Обзор литературы по теме диссертации и постановка задач исследования
1.1. Обзор литературы но теме диссертации
Более ста лет уделяется большое внимание вопросам, касающимся образованию остаточных напряжений и их влияния на прочность при статических и переменных нагрузках. За это время накоплено большое количество сведений о природе возникновения, формирования, методах определения остаточных напряжений в деталях различной формы, в том числе, и в условиях концентрации напряжений.
В настоящее время создан ряд капитальных трудов, позволяющих оценить роль остаточных напряжений в сопротивлении деталей машин усталости, среди которых важное место занимают работы отечественных ученых И.Л. Биргера, С.И. Иванова, Б.А. Кравченко, Н.Н. Давиденкова, И.В. Кудрявцева, М.Н. Степнова, В.Ф. Павлова, С.Л. Бордакова а также зарубежных ученых Г. Закса, А. Тума, Г. Бюлера, О. Дои и др.
Согласно общепринятой классификации остаточных напряжений по протяженности силового поля /10, 40, 41, 106/ они делятся на напряжения 1-го рода - макронапряжения, охватывающие области, соизмеримые с размерами детали; напряжения 2-го рода - микронапряжения, распространяющиеся на отдельные зерна металла или на группу зерен; напряжения 3-го рода - субмикроскопические, относящиеся к искажениям атомной решетки кристалла.
В настоящем обзоре литературы рассматриваются остаточные напряжения 1-го рода, т.к. именно они оказывают наибольшее влияние на сопротивление деталей усталости.
Большинство работ но данной теме посвящено определению остаточных напряжений в гладких деталях /2, 14, 19,28,44, 83/. Эти труды
8
неоднократно анализировались в диссертациях /24,26,34, 88, 132/.
Однако наиболее интересными как для теории, так и для практики являются исследования остаточных напряжений в деталях с концентраторами /77/, так как именно здесь зарождаются трещины усталости, приводящие к разрушению. К сожалению, применение аналитических методов решения для определения остаточных напряжений в таких деталях затруднено, что обусловлено сложностью их формы. Поэтому для данного типа задач большинство авторов используют расчетные и расчетно-экспериментальные методы. Один из таких экспериментальных методов - метод высверливания отверстий /68/, заключающийся в высверливании цилиндрических полостей и дальнейшей оценки изменения остаточных напряжений по глубине отверстия с помощью пошагового измерения деформаций. Или определение остаточных напряжений с помощью срезов поверхностного слоя /1/.
Благодаря применению ЭВМ и развитию численных методов решения задач теории упругости, возможности определения остаточных напряжений в концентраторах существенно расширились.
В работе /8/ была предпринята попытка создания математической модели процессов, происходящих в поверхностных слоях цилиндрических образцов с кольцевыми надрезами после осевого нагружения и последующей разгрузки. Теоретической основой данной модели является теорема Г. Генки о разгрузке /17/, в соответствии с которой остаточные напряжения сг" равны
разности между истинными напряжениями в упругопластическом теле и теми напряжениями, которые создавались бы в нем в предположении идеальной упругости материала о°ч =сг^ -а'. Анализ остаточных
напряжений в данной работе проводился методом конечных элементов для решения двумерных задач теории пластичности.
Остаточные напряжения, определенные расчетным методом, сопоставляли с экспериментальными данными. С этой целью механическим разрушающим методом определяли осевые остаточные напряжения, вызванные предварительным сжатием образца /7/. Результаты расчета и
9
эксперимента показали удовлетворительное совпадение. К недостаткам исследования следует отнести отсутствие учета аномальности механических характеристик ослабленного поверхностного слоя, т.к. предел текучести принимался одинаковым для всей расчетной области образца. Кроме того, не учитывалось различие в значениях пределов текучести на растяжение и сжатие. Наличие постоянного по всему объему тела предела текучести предопределило достаточно высокий уровень внешних нагрузок для наведения остаточных напряжений.
Расчетные методы оценки остаточных напряжений в деталях сложной формы применяются при решении задач термопластического упрочнения.
В статье /67/ описан расчет остаточных напряжений с помощью МКЭ в замковой части диска турбины ГГД после термопластического упрочнения. Приведенная методика разработана для отладки данной технологии и контроля качества упрочнения.
Формирование остаточных напряжений в зоне концентраторов при термопластическом упрочнении описывается в статье /66/. Метод конечных элементов используется в данной работе для оценки напряжений, возникающих при охлаждении поверхностного слоя деталей.
Однако в работах /66, 67/ практически нет данных но измерению остаточных напряжений, экспериментально подтверждающих полученные расчеты, в то время как они необходимы для оценки точности приведенных методик.
В работе /137/ использован предложенный И.А. Биргером /20/ метод расчета остаточных напряжений по первоначальным деформациям применительно к цилиндрическим деталям с нолуэллиптическим вырезом. Для концентраторов другой формы данное решение не приемлемо.
Дальнейшее развитие методика расчета остаточных напряжений но первоначальным деформациям, основанная на теории упругости с применением МКЭ, получила в работах /59, 92, 93, 94/, в которых изучено распределение остаточных напряжений в деталях с концентраторами в
10
зависимости от вариантов упрочнения, геометрических параметров детали и концентратора, толщины упрочненного слоя.
Результаты данных расчетов могут использоваться при разработке технологии упрочнения деталей с концентраторами методами поверхностного пластического деформирования (ППД) и химикотермической обработки (ХТО).
Однако ввиду того, что проводимые расчеты достаточно сложны, не застрахованы от ошибок, т.к. зависят от многих технологических факторов, нередко носят частный характер, широкое распространение для определения остаточных напряжений в деталях с концентраторами (галтелях, надрезах, впадинах шестерен, шлиц и т.д.) получили расчетно-экспериментальные методы. Они базируются на механических разрушающих методах /20/, основанных на измерении перемещений, возникающих при послойном удалении материала с части поверхности исследуемого образца. Связь между измеряемыми перемещениями и искомыми остаточными напряжениями устанавливается расчетными методами.
В работе /18/ описан метод определения остаточных напряжений в деталях сложной формы, согласно которому в районе исследуемой поверхности вырезаются стержневые образцы. В дальнейшем с криволинейном части полученных образцов электрохимическим травлением удаляются слои материала и измеряются возникающие при этом продольные деформации с помощью тензорезисторов. Дополнительные напряжения, вызванные вырезкой образца, не учитывались в силу предположения малой глубины залегания остаточных напряжений по сравнению с размерами сечения образца. Предложенный способ применим для деталей больших размеров и лишь для исследования одноосного напряженного состояния.
Развитие идеи работы /18/ содержится в статьях /129, 130/, где рассматриваются остаточные напряжения во впадинах зубьев цементированных шестерен. Исследуемый образец вырезался в окружном направлении эквидистантно поверхности впадины. Окружные остаточные
11
- Київ+380960830922