Влияние шероховатости поверхности деталей, упрочняемых азотированием на сопротивление усталости при нестационарном нагружении

Механика и машиностроение

ВЛИЯНИЕ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ, УПРОЧНЯЕМЫХ АЗОТИРОВАНИЕМ НА СОПРОТИВЛЕНИЕ УСТАЛОСТИ ПРИ НЕСТАЦИОНАРНОМ

НАГРУЖЕНИИ

В.А.Мамонтов

Астраханский государственный технический университет, г. Астрахань

Анализ результатов исследований по изучению выносливости при нестационарных режимах, выполненных отечественными и зарубежными учеными показывают, что сведения о закономерностях влияния шероховатости поверхности деталей, упрочняемых азотированием, на результаты усталостного процесса от действий циклических напряжений различной амплитуды в литературе отсутствуют.

С учетом этого представляется актуальным исследование влияния шероховатости азотируемых образцов на изгибную выносливость при нестационарных режимах, включая режимы с нагрузками выше предела выносливости.

При нестационарных режимах закономерности усталостного повреждения деталей описываются различными гипотезами. Наиболее простой является гипотеза линейного суммирования усталостных повреждений, предложенная Палъмгреном в 1924 году. Согласно линейной гипотезе при действии напряжений постоянной амплитуды о накопление усталостного повреждения происходит пропорционально числу циклов, а коэффициент пропорциональности равен 1/N , т.е. величине, обратной долговечности образца при этой амплитуде. После действия n циклов напряжения о усталостное повреждение оценивается величиной n/N. Таким образом, усталостное повреждение может изменяться от 0 (начало испытания) до I (конец испытания).

Если циклическая нагрузка содержит несколько уровней амплитуд напряжений oi, то повреждение от каждого уровня оценивается линейной гипотезой как ni/Ni, суммарное

повреждение от действия всех уровней напряжений равно ^ —, а поломка образца

N i

происходит при ^ — = I; здесь n{, - число циклов действия напряжения с амплитудой о{, Ni -

Ni

долговечность при испытании с постоянной амплитудой oi. Величина ni/Ni называется

относительной длительностью, а сумма относительных длительностей при поломке ^ —'--

N i

относительной долговечностью.

Большой экспериментальный материал, полученный за десятилетия после появления линейной гипотезы, указывает на то, что в общем случае закономерности накопления усталостного повреждения гораздо более сложны. Косвенными показателями сложности усталостного процесса служат результаты наблюдений за различными характеристиками свойств материала, подвергающегося воздействию переменных нагрузок.

Нелинейность усталостного процесса проявляется в отклонении относительной

долговечности ^ — от I; отклонение в большую сторону не представляет опасности и идет в

Ni

запас долговечности. Опасно отклонение в меньшую сторону. В ряде случаев эксперименты

показали значения , равные нескольким сотым.

Условиями применимости линейной гипотезы для описания закономерностей усталостного повреждения при нестационарных режимах являются, во-первых, отсутствие резкой разницы между максимальной и минимальной амплитудами нагрузочного спектра, во-вторых, отсутствие в нагрузочном спектре напряжений меньше предела выносливости.

Нагружение деталей в реальных условиях не отвечает названным условиям. Эксплуатационный спектр состоит из нагрузок выше предела выносливости и нагрузок, меньших предела выносливости, составляющих большую часть спектра.

Изучение повреждающего действия напряжений, меньших предела выносливости, проведено в испытаниях двухуровневым спектром, содержащими один уровень напряжений ниже предела выносливости, а другой уровень - выше.

Во всех сериях образцов при нестационарных испытаниях, исходя из сравнительного характера испытаний, низший уровень принят равным 0,85 от предела выносливости образцов с шероховатостью 3,2 мкм. Уровни напряжений выше предела выносливости составили 1,2а-1 и 1,4а-1 (648 и 760 МПа) с относительным содержанием амплитуд напряжений ?а , равным 0,01 и 0,001 соответственно. Отметим, что для двухуровневого

нестационарного испытания += 1.

Для оценки повреждающего действия амплитуды напряжений, меньших предела

выносливости, использован критерий относительной долговечности ^ — (для

Па

двухуровневого испытания - ——). Результаты испытаний анализировались также по

^ так

суммарному числу циклов до поломки Ые.

Нестационарные испытания проведены нагружением образцов повторяющимися блоками. Число циклов в одном нагрузочном блоке составило примерно 2-106 циклов.

С амплитудой верхнего уровня напряжений атах = 1,2 а-1, равной 648 МПа, при относительном содержании циклов = 0.01 испытано по 3 образца каждой шероховатости.

При амплитуде верхнего уровня атах = 1,4 о-1, равной 760 МПа и г = 0.001

испытано по 2 образца в исследуемом диапазоне шероховатости.

Регрессионным анализом получены следующие уравнения эмпирической линии регрессии в виде:

^^ = 8.19- 0.69• ^ Я2; = 7.88- 0.49• ^ Яг

После потенционирования их можно записать в виде:

^ • Я069 = 10819 ^ • Я049 = 107 88

Адекватность линейных моделей проверена сравнением по критерию Фишера дисперсий внутри системы S12 и относительно эмпирической линии регрессии S22. Значения дисперсий Sy2, полученные в регрессивном анализе, позволило определить доверительные интервалы для линий регрессии, которые показаны на рис. 1 для ашах = 1,2 а-1 и на рис. 2 для птах = 1,4 а-1 для доверительной вероятности 0,9.

^Ч/ / / / / / / /

Область для

доверится ьно и вероятности 0.9

10 100 Лг..и™

Рис.1. Результаты нестационарных двухуровневых испытаний с амплитудой верхнего уровня ошах = 1,2 о.1, в диапазоне шероховатости Rz 3,2.. .160 мкм

Как следует из указанных зависимостей, при увеличении шероховатости значения суммарного числа циклов до поломки N уменьшаются. При увеличении шероховатости от 3.2 до 10 мкм снижение N составляет 1,27 раза. Повышение шероховатости до 40 мкм приводит к снижению суммарного числа циклов до поломки в 2,4 раза. Дальнейшее повышение высоты микронеровностей до 160 мкм снижает значения N1 при испытании с амплитудой ашах = 1,2 а.1 в 16 раз. При испытании образцов с шероховатостью 160 мкм с амплитудой ашах = 1,4 а.1 значения N1 также снижаются, но более резко, что отмечено на рис. 1 штриховыми линиями.

При увеличении шероховатости наблюдается увеличение разброса N1, определяемого среднеквадратическим отклонением. Характер этих зависимостей аналогичен зависимости среднеквадратических отклонений пределов выносливости от шероховатости.

Сравнение результатов испытаний с амплитудой верхнего уровня ашах = 1,2 а.1 и ашах = 1,4 а.1 показывает, что с увеличением амплитуды напряжений при одновременном уменьшении относительного содержания циклов ?а от 0,01 до 0,001 происходит снижение

суммарного числа циклов, которое составляет 35 - 40%.

Область для

доверителыти вероятности 0.9

10 100

Рис. 2. Результаты нестационарных двухуровневых испытаний с амплитудой верхнего уровня ашах = 1,4 о.1, в диапазоне шероховатости Rz 3,2.. .40 мкм

Относительная долговечность ^ с увеличением шероховатости образцов

несколько возрастает. Это, на первый взгляд, несоответствие можно объяснить следующим.

Как указывалось выше, исходя из сравнительного характера испытаний, предел выносливости образцов а-1 всего диапазона шероховатости был принят равным пределу выносливости образцов с шероховатостью 3.2 мкм. Но образцы имеют свои пределы выносливости, которые равны 540, 535, 525, 485 МПа для шероховатостей 3.2 , 10, 40, 160 мкм соответственно. Верхние уровни напряжений при испытаниях были одинаковы и

равнялись 648 и 760 МПа. Следовательно, при испытаниях изменялись отношения атах и °тт . Если у образцов с шероховатостью 3.2 мкм отношение °т1" равно 0,85, то для

образцов 160 мкм °т1П уже составило 0,95.

Отсюда, нижний уровень напряжений, близких к пределу выносливости, способствовал упрочнению и увеличению относительной долговечности ^ —, что

подтверждается данными, приведенными ранее о том, что предварительная тренировка образцов напряжениями, близкими к пределу выносливости, может оказывать упрочняющее действие, приводя к увеличению долговечности при последующем переходе на напряжения а > а-1.

Полученные значения относительных долговечностей в исследуемом диапазоне шероховатости близки к единице. Отклонения, составляющие величины 0,1 - 0,15, показывают, что суммирование усталостных повреждений происходит в соответствии с линейной гипотезой. Напряжения, составляющие 0,85 - 0,95 от предела выносливости образцов не оказывают повреждающего действия.

Полученные данные могут быть полезны при расчете азотируемых деталей на изгибную выносливость при нестационарных условиях нагружения.

а-1

а-1