СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ
METHOD OF PARTS STRENGTHENING

Изобретение относится к упрочнению металлических деталей с концентраторами или без концентраторов напряжений и может быть использовано для повышения долговечности и ресурса деталей, работающих в условиях малоцикловой усталости, ползучести и длительной прочности при повышенных температурах.
Известен способ упрочнения деталей, работающих в условиях циклических нагрузок, при котором перед началом эксплуатации определяют величину нагрузки для упрочняющего нагружения детали и осуществляют это нагружение до уровня напряжений выше предела усталости [описание изобретения к авторскому свидетельству 172865, МПК C21D 7/02, заявл. 18.04.1963 г., опубл. 07.07.1965 г.] или ниже предела выносливости материала детали [описание изобретения к авторскому свидетельству 443920, МПК C21D 7/02, заявл. 02.10.72 г., опубл. 25.09.74 г.].
Недостатком этих способов является то, что они применяются для деталей, работающих в многоцикловой области при напряжениях, величина которых меньше пределов пропорциональности и упругости, т.е. при отсутствии пластических деформаций в циклах нагружения.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ упрочнения деталей [описание изобретения к авторскому свидетельству 1039972, МПК C21D 7/02, заявл. 25.01.82 г., опубл. 07.09.83 г.], работающих в условиях циклических нагрузок, при котором определяют величину нагрузки для упрочняющего нагружения деталей и производят это нагружение.
Упрочняющее нагружение осуществляют периодически в период эксплуатации деталей, величину нагрузки выбирают 0,7-0,9 от разрушающей и прикладывают ее в направлении действия рабочих нагрузок, затем осуществляют полную разгрузку. Величину каждой последующей упрочняющей нагрузки выбирают равной или большей предыдущей и прикладывают ее через промежутки времени, составляющие 5-20% от долговечности, достигнутой после первого приложения упрочняющей нагрузки.
Такой способ имеет следующие недостатки.
При нагружении детали нагрузками величиной 0,7-0,9 от разрушающей нагрузки в материале детали возникают существенные пластические деформации, а в наиболее нагруженных зонах детали - в зонах концентрации напряжений и деформаций напряжения могут достигать величины предела временного сопротивления, при котором интенсивно развивается процесс разрушения.
В процессе эксплуатации в результате накопления микроповреждений в зоне концентрации напряжений пластичность материала уменьшается и при очередном упрочняющем нагружении нагрузками величиной 0,7-0,9 от разрушающей нагрузки возникает опасность, что деталь доведена до состояния неконтролируемого предразрушения при отсутствии видимых трещин, либо ее размеры в результате очередного пластического деформирования превысят технологические допуски и это приведет к потере работоспособности либо к выходу из строя всего изделия.
Необходимость приложения упрочняющей нагрузки и в период эксплуатации деталей вызывает необходимость разборки и последующей сборки объекта, что делает такой способ трудно реализуемым или вообще не применимым для множества таких ответственных деталей, как, например, валы или диски газотурбинных двигателей (ГТД) и установок (ГТУ).
Кроме того, такой способ применим только для деталей, подвергающихся знакопостоянному циклическому нагружению, что сужает область его применения, т.к. значительное количество ответственных деталей ГТД и ГТУ работают одновременно в условиях малоцикловой усталости, ползучести и длительной прочности.
Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение долговечности деталей. Дополнительным техническим результатом является расширение области применения способа за счет обеспечения возможности упрочнения деталей, работающих одновременно в условиях малоцикловой усталости, ползучести и длительной прочности.
Исключение приложения упрочняющей нагрузки в период эксплуатации деталей предотвращает сборку-разборку объекта для приложения упрочняющей нагрузки, уменьшает пластические деформации материала деталей и предотвращает потерю работоспособности детали после упрочняющего нагружения в период ее эксплуатации.
Технический результат достигается тем, что в способе упрочнения деталей, работающих в условиях циклических нагрузок, при котором определяют величину нагрузки для упрочняющего нагружения деталей и производят нагружение, в отличие от известного, нагружение производят перед началом эксплуатации детали в несколько этапов, величину нагрузки увеличивают на каждом последующем этапе, при этом нагружение на каждом этапе осуществляют циклами и с выдержкой во времени на уровне максимальных и минимальных напряжений в каждом цикле нагружения, а величину нагрузки выбирают из условия достижения в наиболее нагруженной зоне детали максимальными напряжениями цикла значения не менее предела пропорциональности, но менее предела временного сопротивления.
Нагружение детали производят при максимальной рабочей температуре.
На первом этапе выбирают величину нагрузки, при которой максимальные напряжения цикла не превышают максимальных рабочих напряжений детали.
Заявляемый способ характеризуется следующими схемами:
фиг.1 - схема циклов на каждом этапе нагружения;
фиг.2 - диаграммы зависимости накопления пластических деформаций образцов от времени без упрочняющего нагружения и при циклических упрочняющих нагружениях.
Способ реализуется следующим образом.
max
min
Перед началом эксплуатации деталей, работающих в условиях циклических нагрузок, для повышения их долговечности производят упрочняющее нагружение. Упрочняющее нагружение осуществляют в несколько этапов (фиг.1), при этом величину нагрузки увеличивают на каждом последующем этапе. После завершения упрочняющего нагружения на первом этапе переходят ко второму этапу нагружения при увеличении уровня напряжений σ и прежней величине σ. При этом нагружение на каждом этапе осуществляют циклами. Количество этапов определяют для каждого материала на основе результатов предварительных экспериментальных исследований при различном количестве этапов и количестве циклов на каждом этапе нагружения. Упрочняющее нагружение детали производят при максимальной рабочей температуре.
Величину нагрузки выбирают из условия достижения максимальными напряжениями, возникающими в цикле нагружения, значения не менее предела пропорциональности, но менее предела временного сопротивления материала детали. На первом этапе величину нагрузки выбирают такой, чтобы максимальные напряжения цикла нагружения были на уровне предела пропорциональности или выше, но не превышали максимальных рабочих напряжений детали. На последующих этапах максимальные напряжения в цикле должны быть выше предыдущих, но меньше предела временного сопротивления материала детали.
max
max
max
max
min
max
min
σ
σ
Упрочняющее нагружение осуществляют с выдержкой во времени на уровне максимальных и минимальных напряжений в каждом цикле нагружения. Время выдержки Δτ на уровне максимальных напряжений σ назначают на основе данных эксплуатационных условий, а также на основе результатов экспериментов по исследованию кривых релаксации напряжений для материала детали при начальных напряжениях σ=σ и постоянной относительной деформации ε=const, соответствующей начальным напряжениям σ=σ. Минимальное время выдержки в цикле нагружения Δτ назначают равным или меньше величины Δτ. Минимальную величину напряжения σ в цикле нагружения выбирают из условия 0≤R<0,1, где R - коэффициент асимметрии цикла.
Пример осуществления способа.
пц
в
maxраб
Стандартные образцы диаметром 7 мм для испытаний на малоцикловую усталость и длительную прочность изготовлены из стали ЭП-609Ш, которая при температуре испытаний Т=404°С имеет предел пропорциональности σ=600 МПа, предел временного сопротивления σ=735 МПа. Максимальные рабочие напряжения деталей (например, для валов и дисков ГТД) составляют σ=686-712 МПа.
max
min
σ
max
min
ц
При исходном нагружении образцов (без упрочняющего нагружения) при T=404°С напряжениями σ=712 МПа, σ=0 МПа (т.е. R=0), Δτ=120 с, Δτ=60 с были получены следующие характеристики долговечности: N=60 циклов, τ=2 часа.
σ
max
min
max раб
max1
ц1
max2
ц2
max3
ц3
max
min
ц
упр
исх
упр
исх
Предварительное упрочняющее нагружение осуществляли отнулевыми циклами (R=0) при T=404°С с аналогичными выдержками Δτ и Δτ и напряжениями в начальных циклах, которые не превышали максимальных рабочих напряжений детали σ=686-712 МПа: на 1-м этапе σ=600 МПа - N=536 циклов, на 2-м этапе σ=660 МПа - N=407 циклов и на 3-м этапе σ=686 МПа - N=3455 циклов. После предварительных упрочняющих нагружений характеристики долговечности при T=404°С, σ=712 МПа и σ=0 МПа составили: N=747 циклов, τ=24,89 ч. Увеличение долговечности после упрочняющей обработки по данному способу составило n=τ/τ=N/N=747/60≈12,45 раз. При реализации способа по а.с. №1039972 наибольший упрочняющий эффект составил n=3,48 раз.
Дополнительное подтверждение эффекта упрочнения по заявляемому способу дают зависимости накопления пластических деформаций образцов от времени при циклическом нагружении (фиг.2).
max
ц3
пред
Диаграмма 1, представленная на фиг.2, соответствует циклическому нагружению образцов при σ=686 МПа - N=3560 циклов (до разрушения) без предварительного упрочняющего нагружения. В процессе нагружения происходит постоянное и прогрессирующее накопление пластических деформаций и после нагружения в течение 118,64 часа при достижении относительной пластической деформацией предельной величины ε=0,10 мм/мм, произошло разрушение.
Диаграмма 2, представленная на фиг.2, отражает накопление пластических деформаций при предварительном упрочняющем последовательном циклическом нагружении образцов на этапах 1-3 (фиг.1).
max3
ц3
max
min
пред
После упрочняющего нагружения на первых двух этапах, описанных выше, видно, что на протяжении всего 3-го этапа упрочняющего нагружения при σ=686 МПа до N=3455 циклов (114,16 ч) увеличения пластических деформаций не происходит. Это говорит о том, что уже после двух этапов предварительного упрочняющего циклического нагружения происходит значительное упрочнение материала. Разрушение произошло только после существенного увеличения максимальных напряжений в цикле до σ=712 МПа и σ=0 МПа при значительно меньшей относительной пластической деформации - ε=0,06 мм/мм, что также свидетельствует об уменьшении пластических деформаций и упрочнении материала.
max
min
Таким образом использование данного способа позволяет повышать как циклическую, так и длительную прочность ответственных деталей, работающих при повышенных температурах, не менее чем в 12 раз. Такое существенное повышение долговечности можно объяснить сложным взаимовлиянием циклического нагружения и ползучести. Циклическое пластическое деформирование материала при повышенной температуре и длительной выдержке под нагрузкой (Δτ=120 с), а также последующие длительные паузы при разгрузке (Δτ) приводят к значительному увеличению плотности дислокации, образованию различных дислокационных структур и больших внутренних (остаточных) микро- и макронапряжений. В процессе выдержки под действием нагрузки в материале протекают процессы ползучести и релаксации и выравнивания уровня внутренних напряжений, что стабилизирует состояние материала. Указанные факторы при циклическом нагружении приводят к деформационному циклическому упрочнению материала, при котором внешние напряжения уравновешиваются внутренними напряжениями. Этот эффект наблюдается как при основной работе материала детали (или испытании образцов), так и в процессе предварительного упрочняющего нагружения: упругие свойства материала - пределы пропорциональности, упругости и текучести увеличиваются, что приводит к существенному уменьшению накопления пластических деформаций и, следовательно, уменьшению повреждаемости материала в процессе работы (или испытания) и повышению долговечности деталей.