Содержание
Введение..........................................................
Глава 1. Аналитический обзор и постановка задач исследования ..............................................................
1.1. Физико-механические и технологические факторы, приводящие к возникновению остаточных напряжений .........................
1.2. Экспериментальные методы определения остаточных напряжений в гладких деталях и деталях с концентраторами напряжений
1.3. Аналитические методы определения остаточных напряжений после процедуры упрочнения.....................................
1.4. Влияние температурно-силового нагружения на релаксацию остаточных напряжений в упрочнённых деталях в условиях ползучести .........................................................
1.5. Влияние остаточных напряжений на предел сопротивления усталости .........................................................
1.6. -Основные проблемы и постановка задач исследования .......
Глава 2. Расчёт нолей остаточных напряжений и пластических
деформаций в цилиндрическом образце после процедуры анизотропного упрочнения .........................................
2.1. Технологии упрочнения ....................................
2.2. Методика расчёта полей остаточных напряжений и пластических деформаций в цилиндрическом образце с учётом анизотропии процесса поверхностного упрочнения .....................
2.3. Методика идентификации параметров математической модели
5
11
15
19
25
32
38
42
45
45
55
59
2
2.4. Упрочнение и экспериментальное определение остаточных напряжений в цилиндрических образцах ..............................63
2.5. Проверка адекватности модели экспериментальным данным, результаты расчётов и анализ результатов .........................68
2.6. Выводы по главе 2............................................72
Глава 3. Релаксация остаточных напряжений в цилиндрическом образце в условиях ползучести ...............................74
3.1. Постановка задачи............................................74
3.2. Метод решения краевой задачи релаксации остаточных напряжений в упрочнённом цилиндрическом изделии в условиях ползучести .........................................................76
3.3. Реологическая модель и критерий разрушения материала ... 82
3.4. Численная методика и алгоритм расчёта релаксации остаточ-
4
ных напряжений в упрочнённом цилиндрическом образце ... 87
3.5. Расчёт релаксации остаточных напряжений в упрочнённом цилиндрическом образце и проверка адекватности метода экспериментальным данным .............................................92
3.6. Исследование влияния параметра анизотропии упрочнения на процесс ползучести упрочнённого цилиндрического образца . . 108
3.7. Выводы по главе 3...........................................122
Глава 4. Исследование температурно-силовых режимов нагружения на релаксацию остаточных напряжений и кинетику приращения предела выносливости упрочнённых элементов конструкций с концентраторами напряжений в условиях ползучести ............................................................125
4.1. Постановка задачи...........................................125
3
4.2. Методика расчёта кинетики напряжённо-деформированного состояния в поверхностно упрочнённом слое элементов конструкций с произвольной границей при ползучести на основе метода декомпозиции ...............................................127
4.3. Методика оценки кинетики приращения предела выносливости упрочнённых цилиндрических образцов с концентраторами напряжений при температурно-силовых выдержках в условиях ползучести ....................................................139
4.4. Исследование процесса релаксации остаточных напряжений в поверхностно упрочнённом слое отверстия диска газотрубинного двигателя......................................................156
4.5. Решение задачи релаксации остаточных напряжений в поверхностно упрочнённом слое вращающейся лопатки газотурбинного двигателя в условиях ползучести.............................164
4.6. Выводы по разделу 4 198
Заключение .......................................................200
Литература .......................................................203
Приложение А. Акт о внедрении результатов кандидатской диссертации в ОКБ инженерного центра ОАО «Кузнецов» г. Самара .......................................................224
Приложение Б. Акт о внедрении в учебный процесс результатов кандидатской диссертации ..................................225
4
Введение
Актуальность работы. Одним из способов повышения долговечности многих изделий является наведение сжимающих остаточных напряжений в поверхностном слое (упрочнение). При этом повышение, например, сопротивления усталости обусловлено главным образом сжимающими остаточными напряжениями в поверхностном слое, которые препятствуют выходу на поверхность различного рода дислокаций и вакансий. Однако в процессе эксплуатации при высоких температурах вследствие ползучести происходит процесс релаксации остаточных напряжений (уменьшение сжимающих напряжений по модулю) на фоне реологического деформирования самой конструкции.
Существующие на сегодняшний день методики расчёта остаточных напряжений в упрочнённом слое носят в подавляющем большинстве экспериментальный характер и позволяют определить одну или две компоненты тензора остаточных напряжений.
Однако без полной (трёхмерной) картины напряжённо-деформированного состояния (НДС) после процедуры упрочнения невозможно решать краевые задачи при последующем нагружении и ползучести. Разработанные в этом направлении методы справедливы лишь для простейших гладких деталей и для режимов так называемого изотропного поверхностного упрочнения (гидро- и пневмодробеструйная обработка, азотирование, термопластическое упрочнение). Для режимов анизотропного упрочнения поверхности (обкатка роликами, алмазное выглаживание, дорнование и другие) требуется модификация и обобщение существующих методов.
Вопросы релаксации наведённых остаточных напряжений в условиях ползучести мало разработаны, причём существующие методы решения краевых задач относятся в основном к деталям с «гладкой» поверхностью, без концентраторов на пряжений.
5
Методики, позволяющие описать релаксацию остаточных напряжений в концентраторах, находятся в стадии становления. Важность этой задачи определяется прямо]'! связью величины остаточных напряжений в концентраторе с повышением предела выносливости упрочнённых образцов и по эволюции остаточных напряжений вследствие ползучести можно определить кинетику приращения предела выносливости.
Всё вышеизложенное и определяет актуальность тематики диссертации. Целью диссертационной работы является разработка феноменологических методов определения остаточных напряжений после процедуры анизотропного упрочнения и их релаксации вследствие ползучести для деталей с концентраторами напряжений и их приложений к решению важных технических задач для ряда конструкций: вращающиеся прямолинейная и закрученная лопатки переменного сечения ГТД, диск ГТД и цилиндрические образцы с концентраторами напряжений.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1) разработан феноменологический метод расчёта трёхмерных полей остаточных напряжений и пластических деформаций в цилиндрическом образце, позволяющий, в отличие от существующих методов, учитывать анизотропию процесса упрочнения, и выполнена его экспериментальная проверка для цилиндрических образцов из сталей 45 и ЗОХГСА, упрочнённых обкаткой роликом;
2) разработан прямой метод решения краевой задачи о релаксации остаточных напряжений в цилиндрическом образце при ползучести с учётом анизотропии поверхностного пластического упрочнения и выполнена его экспериментальная проверка для образцов из стали ЭИ691 при Т = 400 °С в условиях термоэкспозиции (температурной выдержки без нагрузки);
3) выполнен анализ влияния параметра анизотропии упрочнения па напря-
6
жённо-деформированное состояние в упрочнённом слое после процедуры упрочнения и на процесс релаксации остаточных напряжений в процессе ползучести; показано, что наблюдается существенное расслоение окружных и осевых остаточных напряжений в зависимости от параметра анизотропии, в отличие от случая, соответствующего изотропному упрочнению, где они практически совпадают;
4) разработана методика расчёта приращения предела выносливости упрочнённых цилиндрических образцов с концентраторами напряжений при температурно-силовых выдержках в условиях ползучести;
5) разработана методика расчёта остаточных напряжений в поверхностно упрочнённом слое элементов конструкций с произвольной границей, базирующаяся на идеях декомпозиции и склейки решений краевых задач, на основании которой решены новые задачи о релаксации остаточных напряжений в условиях ползучести для упрочнённых прямолинейной лопатки ГТД, закрученной лопатки первой ступени турбины высокого давления газотурбинного комплекса ГТК-10-4, диска ГТД и цилиндрических образцов с концентраторами и выполнен их детальный численный анализ.
Практическая значимость работы в теоретическом плане заключается в разработке новых математических моделей и методик расчета остаточных напряжений в условиях ползучести и их влияния на предел выносливости анизотропно упрочненных деталей с концентраторами напряжений. С прикладной (инженерной) точки зрения разработанные методы, во-первых, позволяют решить ряд важных прикладных задач для упрочнённых элементов конструкций ГТД и цилиндрических деталей с концентраторами напряжений, а, во-вторых, могут служить основой для разработки методов оценки надёжности (по величине остаточных напряжений) поверхностно упрочнённых элемептоз конструкций в энергетическом, машиностроительном, нефте-
7
1
химическом и аэрокосмическом промышленных комплексах.
На защиту выносятся:
1) феноменологический метод расчета трёхмерных полей остаточных напряжений и пластических деформаций в цилиндрическом образце, позволяющий, в отличие от существующих методов, учитывать анизотропию процесса упрочнения;
2) прямой численный метод решений краевой задачи о релаксации остаточных напряжений в цилиндрическом образце при ползучести с учётом анизотропии поверхностного пластического упрочнения;
3) методика оценки влияния температурно-силовых выдержек на приращение предела выносливости упрочнённых цилиндрических образцов с концентраторами напряжений в условиях ползучести;
4) методика оценки кинетики остаточных напряжений вследствие ползучести в поверхностно упрочнённом слое элементов конструкций с произвольной границей, на основе которой решены новые прикладные задачи релаксации остаточных напряжений для прямолинейной и закрученной лопаток переменного сечения ГТД , диска ГТД и цилиндрического образца с концентраторами в условиях ползучести;
5) результаты новых экспериментальных исследований по определению напряжённо-деформированного состояния в упрочнённом слое после анизотропного упрочнения (обкатка роликом) и в условиях ползучести. Обоснованность выносимых на защиту научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается адекватностью модельных математических представлений реальному физико-механическому поведению материала в упрочнённом слое при высоких температурах; корректностью использования математического аппарата, законов механики деформируемого твёрдого тела; сравнением численных решений рассматриваемых краевых задач с
8
известными результатами в частных случаях; апробированностыо используемых методов экспериментального исследования упрочнённых деталей; экспериментальной проверкой используемых гипотез и результатов решений задач.
Апробация работы. Результаты научных исследования опубликованы в 27 печатных работах и докладывались на ряде конференций различного уровня: на конференции «Дифференциальные уравнения и их приложения» (г. Самара, 2006 г.), на Четвёртой, Шестой и Седьмой Всероссийских научных конференциях с международным участием «Математическое моделирование и краевые задачи» (г. Самара, 2007, 2009, 2010 гг.), на Зимней школе по механике сплошных сред (г. Пермь, 2007 г.), на Седьмом Всероссийском симпозиуме но прикладной и промышленной математике (г. Сочи, 2007 г.), на V, VI Всероссийской конференции «Механика микронеоднородных материалов и разрушение» (г. Екатеринбург, 2008, 2010 гг.), на Всероссийской конференции «Проблемы нелинейной механики деформируемого твёрдого тела» (г. Пермь,
2008 г.), на седьмой международной конференции «Математическое моделирование физических, экономических, технических, социальных систем и процессов» (г. Ульяновск, 2009 г.), на IV Российской научно-технической конференции «Ресурс и диагностика материалов и конструкций» (г. Екатеринбург,
2009 г.), на международной научно-технической конференции «Прочность материалов и элементов конструкций» (г. Киев, 2010), на научном семинаре «Механика и прикладная математика» Самарского государственного технического университета (руководитель профессор В.П. Радченко, 2008-2010 гг.).
Работа выполнялась при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проекты № 10-01-00644-а, 07-01-00478-а), Министерства образования и науки (проект РНП. 2.1.1/3397 и государственный контракт № П818) и в рамках темплана СамГ'ТУ 199.1.4.09.
Внедрение. Результаты диссертационной работы внедрены в ОКБ инженерного центра ОАО «Кузнецов» г. Самара, использованы в учебном процес-
9
се кафедры «Прикладная математика и информатика» и включены в лекционный материал курсов «Реологические модели», «Математические модели механики сплошных сред», «Численные методы решения краевых задач».
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 27 печатных работах, из них 12 статей в рецензируемых журналах из перечня ВАК, 7 статей в сборниках трудов конференций и 8 тезисов докладов.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка источников из 154 наименований. Работа содержит 223 страницы основного текста.
Личный вклад автора. Автору во всех работах, опубликованных в соавторстве, в равной степени принадлежат как постановки задач, так и результаты выполненных исследований.
Благодарности. Автор выражает благодарность научному руководителю доктору физико-математических наук В. П. Радченко за постановки задач и поддержку работы, а также доценту, кандидату физико-математических наук М. Н. Саушкину за консультации и постоянное внимание к работе.
10
Глава 1
Аналитический обзор и постановка задач
исследования
Современное развитие ведущих отраслей промышленности связано с проблемой увеличения срока службы деталей и элементов конструкций (в том числе, и с концентраторами напряжений). Многие эксплуатационные свойства элементов конструкций изделий энергетического, машиностроительного и аэрокосмическою комплексов, такие как износостойчивость, прочность и сопротивление усталости, в значительной степени зависят от качества поверхностного слоя, формируемого в процессе механической обработки при их изготовлении. При этом исчерпание ресурса детали и её разрушение в большинстве случаев начинается с поверхностного слоя, например, возникновение и развитие усталостной трещины.
Одним из способов повышения долговечности многих изделий является наведение сжимающих остаточных напряжений (ОН) в поверхностном слое (упрочнение). При этом повышение, например, сопротивления усталости обусловлено главным образом сжимающими остаточными напряжениями в поверхностном слое, которые препятствуют выходу на поверхность различного рода дислокаций и вакансий. Однако 15 процессе эксплз'атации при высоких температурах вследствие ползучести происходит процесс релаксации ОН (уменьшение сжимающих напряжений по модулю) на фоне реологическою деформирования самой конструкции.
При моделировании процесса релаксации ОН возникают следующие основные математические задачи:
1) определение исходного (первоначального) напряженно-деформированного состояния (НДС) в поверхностном слое изделия, возникающего после
процедуры поверхностного пластического деформирования (ППД);
2) решение краевой задачи ползучести для рассматриваемого элемента конструкции с заданными начальными полями остаточных напряжений и пластических деформаций, определяемыми из первой задачи.
При этом исходной информацией для решения первой задачи являются экспериментальные данные для одной или двух нормальных компонент тензора остаточных напряжений.
Существующие на сегодняшний день экспериментальные методы не позволяют восстановить полную картину напряженно-деформированного состояния в упрочнённом слое, поэтому удаётся получить либо одну компоненту остаточных напряжений, либо в некоторых случаях —две. Б инженерных расчётах в настоящее время фигурируют так называемые эквивалентные остаточные напряжения, по величине которого и делается то или иное заключение о показателях ресурса. Поэтому одной из теоретических задач является разработка феноменологического метода восстановления полной картины напряжённо-деформированного состояния в слое после процедуры упрочнения, поскольку без начальных значений компонент тензоров остаточных напряжений и деформаций невозможно решать краевые задачи при последующем нагружении и ползучести. Разработанные в этом направлении методы пока справедливы лишь для режимов так называемого изотропного поверхностного упрочнения (обработка микрошариками, гидродробеструйная обработка, азотирование и некоторые другие). Для режимов анизотропного упрочнения (обкатка роликами, алмазное выглаживание и другие) требуется модификация существующих методов и разработка на их основе более общих подходов, что и является одной из задач данной диссертационной работы.
Вопросы релаксации наведённых остаточных напряжений в условиях ползучести мало разработаны, имеется небольшое число работ в научной литературе в этом направлении. Причём разработанные методики относятся в основ-
12
ном к конструкции с «гладкой» поверхностью, без концентраторов напряжений. Методики, позволяющие описать релаксацию остаточных напряжений в концентраторах, находятся в стадии становления. Однако важность решения этой проблемы имеет не только теоретическое, но и практическое значение, поскольку оценка кинетики остаточных напряжений вследствие ползучести позволяет сделать вывод об эффективности (устойчивости) поверхностного пластического деформирования к нагрузкам при высоких температурных режимах нагружения.
Решение задачи релаксации напряжений в упрочнённом слое при ползучести требует создания новых численных методов и программного обеспечения.
Третьей важной составляющей настоящей работы, не рассматривавшейся в научной литературе, является прямая связь величины остаточных напряжений в концентраторе о повышением предела сопротивления усталости упрочнённых образцов. Поэтому по эволюции остаточных напряжений вследствие ползучести в любой момент времени можно вычислить эквивалентное напряжение и, пользуясь известными критериями, определить кинетику приращения предела сопротивления усталости.
Очевидно, что если величина остаточных напряжений (эквивалентного остаточного напряжения) является параметрической характеристикой упрочнённого слоя, то появляется научно-обоснованная возможность оценки ресурса упрочнённых элементов конструкций по критерию величины допустимых остаточных напряжений (параметрический критерий отказа).
Настоящая работа ставит своей целью проведение комплекса научно-исследовательских работ по созданию и разработке новых математических моделей релаксации остаточных напряжений при ползучести, оценке их влияния на сопротивление усталости упрочнённых деталей с концентраторами; разработке нового программного обеспечения для численного решения указанных задач для типовых упрочнённых элементов конструкций с концентра-
торами напряжений; разработке мотивированных научно-обоснованных рекомендаций по практическому использованию полученных результатов при оценке показателей надёжности упрочнённых деталей по параметрическим критериям отказа.
Указанные задачи требуют для своего решения значительного развития известных методов механики упрочнённых конструкций, теории ползучести и сопротивления усталости и в силу этого обстоятельства представляют самостоятельный теоретический и прикладной интерес.
В связи с вышеизложенным целью диссертационной работы являются следующие основные задачи:
1) разработка новых математических моделей и методик восстановления (после процедуры упрочнения) и релаксации остаточных напряжений вследствие ползучести для упрочнённых деталей с концентраторами напряжений и их приложений к типовым промышленным цилиндрическим и плоским деталям с типовыми концентраторами напряжений;
2) модификация критерия влияния остаточных напряжений на предел сопротивления усталости деталей с концентраторами напряжений в условиях ползучести;
3) разработка новых конструктивных вычислительных процедур и программного обеспечения для реализации предлагаемых методов;
4) экспериментальная проверка основных математических моделей и полученных на их основе результатов.
В этой связи в настоящем обзоре рассматриваются работы, посвященные экспериментальному и теоретическому определению остаточных напряжений в деталях с концентраторами напряжений, их влиянию на сопротивление усталости в условиях концентрации при нормальной и повышенной температурах, разработке математических моделей релаксации остаточных напряжений в условиях ползучести, а также возможности прогнозирования предела
14
выносливости упрочненных деталей с концентраторами напряжений в условиях температурно-силового нагружения.
1.1. Физико-механические и технологические факторы, приводящие к возникновению остаточных напряжений
Остаточные напряжения —это упругие напряжения, которые остаются в детали после её обработки. Наиболее полно механизм остаточных напряжений, методы выявления и определения их величины изложены в работе [11]. Остаточные напряжения обычно классифицируют но признакам протяженности силового поля (глубине залегания) и их физической сущности.
Напряжения первого рода—макронапряжения, уравновешенные в макрообъёмах тела. Они охватывают области, соизмеримые с размерами детали, и имеют ориентацию, связанную с формой детали.
Напряжения второго рода—микронапряжения, уравновешенные в пределах размера зерен. Они распространяются на остальные зёрна металла или на группу зёрен.
Напряжения третьего рода —субмикросконические, относящиеся к искажениями атомной решётки кристалла. Они уравновешены в пределах нескольких межатомных расстояний.
В силу того, что в настоящей работе остаточные напряжения рассматриваются в рамках механики сплошной среды, то в дальнейшем рассматриваются лишь остаточные напряжения первого рода.
В зависимости от характера и интенсивности физико-механических процессов, происходящих при обработке детали, остаточные напряжения могут иметь различный знак: «+» (напряжения растяжения) или «—» (напряжения
15
сжатия).
Условие равновесия требует, чтобы в объёме упрочнённой детали сумма проекций всех сил была равно нулю. Поэтому в детали всегда имеются области со сжимающмими и растягивающими остаточными напряжениями.
Остаточные напряжения могут быть созданы намеренно или случайно во время сборки или сварки конструкций, в процессе изготовления деталей машин, при различных технологических процессах: литье, ковке, штамповке, прокатке, волочения, механической (или иной) обработке.
Остаточные напряжения в литых деталях возникают при охлаждении деталей в форме. Основной причиной, вызывающей эти напряжения, является неравномерность охлаждения отливок. Величина остаточных напряжений определяется формой деталей, температурными нолями, свойствами материала. Высокий градиент напряжений может вызвать в таких деталях коробление или появление даже трещин.
Обработка металлов давлением (волочение или выдавливание, прокатка, ковка, штамповка) может проводиться при нормальной и повышенной температурах. Возникающие при этом остаточные напряжения достигают большой величины и могут вызвать самопроизвольное разрушение изделия.
Механическая обработка (фрезерование, точение, шлифование) наводит в топком слое значительные остаточные напряжения [11, 35, 59, 125, 127|. Их образование обусловлено такими факторами как силовые и температурные поля, фазовые и структурные превращения. Знак и характер распределения остаточных напряжений определяются совместным влиянием указанных факторов. Превалирование того или иного фактора существенно зависит от технологических режимов (геометрия и состояние режущего инструмента, охлаждающая среда, вид и режимы обработки) и физико-механических свойств обрабатываемого материала [59]. Если механическая обработка приводит к фазовым изменениям и структурным превращениям металла, увели-
16
чивающим удельный объем поверхностных слоён детали, то возникают остаточные напряжения сжатия [59].
В процессе обработки абразивным инструментом решающее влияние на образование остаточных напряжений оказывают температурные поля. При шлифовании возникают значительные силовые поля, которые и являются ответственными за формирование остаточных напряжений. Обычно у поверхности детали возникают в этом случае значительные остаточные напряжения [11, 93, 126, 127]. Глубина залегания остаточных напряжений при абразивной обработке составляет 100-150 мкм.
Широкое распространение в современном машиностроении получила обработка деталей методами поверхностного пластического деформирования (ПГ1Д) [8, 10, 21, 29, 54, (38, 83, 89, 93, 96, 106, 126, .127, 136], приводящая к созданию в поверхностном слое сжимающих остаточных напряжений. Возникновение этих напряжений обусловлено неравномерной по сечению детали пластической деформацией, а также возможными фазовыми и структурными превращениями, которые приводят к изменению удельного объема деформированного слоя детали, чему препятствуют (из-за сплошности материал) нижележащие слои. Если увеличивается удельный объем деформированного слоя, то в наружных слоях детали возникают напряжения сжатия, а во внутренних—уравновешивающие их растягивающие напряжения. Из всего многообразия методов ППД наибольшее распространение, особенно в авиастроении, получили дробеструйное, дробемётное и ультразвуковое упрочнение, которые позволяют обрабатывать детали сложной формы и значительных размеров.
Для создания в поверхностных слоях остаточных напряжений с наперёд заданным распределением не всегда удаётся подобрать метод, обеспечивающий требуемую величину и глубину залегания. Увеличение толщины деформированного слоя и величины остаточных напряжений обеспечивается
17
увеличением размеров иидентора и усилий обработки, однако при этом наблюдается спад остаточных напряжений к поверхности, что нежелательно для деталей малых размеров. Уменьшение рабочих тел (дроби, микрошариков, радиуса ролика и т.д.) смещает максимум остаточных напряжений к поверхности, но при этом невозможно добиться большой глубины их залегания [49, 83, 93, 106, 123]. Указанные противоречия могут быть устранены комбинированными методами ППД [19, 56, 66, 121], когда па первом этапе применяется упрочнение на большую глубину (обкатывание, упрочнение дробью большого диаметра), а на втором - упрочнение тонкого поверхностного слоя [19, 56].
Большей (но сравнению с ПГ1Д) глубины залегания остаточных напряжений можно добиться методом термопластического упрочнения (ТПУ), который интенсивно развивался в научной школе Кравченко Б. А. [60, 61, 64 и другие]. Кроме этого, методом ТПУ можно добиться той же интенсивности и глубины залегания при значительно меньшем уровне величины остаточной пластической деформации, чем, например, при ППД. Ещё одним положительным моментом метода ТПУ является его доступность для деталей со сложной конструкцией концентраторов, когда методы ППД для упрочнения таких концентраторов не применимы (отверстия в охлаждаемой лопатке, круговые концентраторы диска ГТД, пазы ёлочных замков и т.д.).
Остановимся ещё на одном методе упрочнения. Во всех классических упрочняющих технологиях (гидродробеструйная обработка, обкатка роликом, азотирование и др.) процессы изготовления деталей и упрочнения выполняются последовательно: сначала изготовление, а затем упрочнение. Группой авторов [6, 26-28, 105] разработан метод, основанный па совместной комбинации механической обработки режущим инструментом и ультразвуковой обработки поверхности. В этом методе к резцу кроме статической нагрузки прикладывается высокочастотные колебания с незначительной амплитудой
18
колебания— до 5 мкм. В результате уже при изготовлении, например, резьбы в поверхностном слое возникают сжимающие остаточные напряжения. Задавая различные направления ультразвуковых колебаний (тангенциальное, осевое, радиальное), можно получать различные эпюры распределения остаточных напряжений, и, в конечном итоге, регулировать процесс наведения остаточных напряжений.
1.2. Экспериментальные методы определения остаточных напряжений в гладких деталях и деталях с концентраторами напряжений
Поскольку одной из задач настоящего диссертационного исследования является разработка феноменологического метода восстановления остаточных напряжений после процедуры поверхностного пластического деформирования, то естественно остановиться на классификации существующих методов. Следует отметить, что термин «экспериментальные методы» определения остаточных напряжений не совсем точный, поскольку напряжения напрямую измерить невозможно. В экспериментах измерениям доступны лишь некоторые интегральные перемещения (например, в методах колец и полос, высверливания отверстий), а напряжения уже рассчитываются, исходя из особенностей конструктивного элемента и положений теории упругости. Поэтому более точно можно говорить о феноменологических расчётно-экспериментальных методах.
Все существующие методы определения остаточных напряжений условно можно разделить на две основные группы: «экспериментальные» физические и механические.
Физические методы. Наиболее распространены среди физических ме-
19
тодов — рентгеновские. Необходимо отметить, что они являются единственными достаточно чувствительными методами для определения внутренних напряжений всех трех видов. Впервые (ещё в 1929 году) теоретически установил возможность использования рентгеновского метода Г. И. Аксёнов [3], дальнейшее развитие они получили, например, в работах [39, 74, 133]. Рентгеновские методы основаны на изменениях интерференционной картины в связи с деформациями кристаллической решётки металлов. Важным их достоинством является возможность измерять нормальные компоненты упругой деформации в любом направлении эллипсоида деформации и на малых участках без разрушения детали [133]. Это позволяет выявить особенности остаточного напряженного состояния, которые другими методами определить невозможно. Существенными недостатками этого метода являются: невозможность измерения остаточных напряжений на большой глубине без разрушения детали, осреднённая величина остаточных напряжений но глубине сканирования, невозможность раздельного определения компонентов напряженного состояния в концентраторах с углом раскрытия менее 120°.
К числу физических относятся также такие методы как поляризационно-оптические, магнитные, радионоляризационные, электросопротивления, ультразвуковые, акустические, физико-химические, фотоупругих покрытий, голографические.
Основное достоинство физических методов заключается в том, что они являются неразрушающими и могут применяться как контрольные при проверке качества изделий и стабильности технологического процесса. Однако высокая чувствительность к структурной неоднородности и деформации поверхностного слоя, невозможность получения достаточно точного распределения напряжений по толщине деталей не позволяют использовать эти методы в полной мере для решения задач механики упрочнённых гладких деталей и деталей с концентраторами.
20
- Киев+380960830922