Исследование полей остаточных напряжений и пластических деформаций при поверхностном упрочнении цилиндрического образца с учетом организации процесса ППД

Механика деформируемого твердого тела

УДК 539.376

Е.А. Просвиркина, М.Н. Саушкин

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЕЙ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И ПЛАСТИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ ПРИ ПОВЕРХНОСТНОМ УПРОЧНЕНИИ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ОБРАЗЦА С УЧЕТОМ ОРГАНИЗАЦИИ ПРОЦЕССА ППД

Решена задача восстановления полей остаточных напряжений и пластических деформаций в поверхностно-упрочненном слое цилиндрического образца по схеме сложного напряженного состояния после процедуры поверхностно-пластического деформирования в зависимости от технологических факторов процедуры упрочнения.

Ужесточение температурно-силовых условий работы конструктивных элементов и проблема увеличения времени их эксплуатации приводят к развитию различных методов повышения долговечности деталей машин. Одним из таких методов является метод поверхностного пластического деформирования при нормальных и умеренных температурах, в результате применения которого в поверхностном слое детали возникают сжимающие остаточные напряжения.

В настоящей работе развивается феноменологический метод восстановления полей остаточных напряжений и деформаций по схеме сложного напряженного состояния после применения поверхностного пластического упрочнения для цилиндрического образца по одной экспериментально замеренной компоненте остаточных напряжений, предложенный в [1, 2]. Эта задача решается на основании уравнений равновесия, совместности деформаций и гипотезы пластической несжимаемости. Так как поверхностно упрочненный слой достаточно тонкий и проникает на глубину от нескольких сотен микрон до миллиметра, то предполагается, что напряжения в этом слое на поверхности конструкции формируются также как на плоскости полупространства.

Процесс наведения остаточных напряжений в материале может быть осуществлен различными способами. Если, например, бомбардировать поверхность изделия большим количеством микрошариков по направлению нормали к поверхности (радиус шарика значительно меньше радиуса цилиндрического изделия), то деформации будут наводиться так же, как в полупространстве — распределение окружной и осевой компонент остаточных пластических деформаций после процедуры ППД по глубине слоя не отличаются (дг = цв). Если процесс организовать так, чтобы поток микрошариков составлял с образующей цилиндра некоторый угол <р , то осевые и окружные пластические деформации будут связанны соотношением = а дв , где 0 < а < 1. Если же поток микрошариков будет составлять некоторый угол с касательными к цилиндру в плоскости, ортогональной оси цилиндра, то осевые и окружные пластические деформации будут связанны соотношением а цг = цв, где 0 < а < 1.

Очевидно, что оба этих соотношения можно объединить в одно = а , причем, если

0 < а < 1, то реализован первый случай наведения остаточных деформаций, если а > 1, то реализован второй случай. При этом радиальная компонента деформаций будет связана с окружной следующим соотношением: дг = (1 + а). В случае, когда а = 1, процесс ППД реализу-

ется как на плоскости. Этот случай подробно рассмотрен в работах [1, 2].

В работе полностью решена задача восстановления начального напряженно деформированного состояния (сразу после процедуры ППД) в поверхностно упрочненном слое по экспериментально замеренной окружной компоненте тензора остаточных напряжений о^(К) по толщине слоя (рис. 1). Анализ результатов показал, что при одинаковых первоначальных эпюрах окружных остаточных напряжений, но различных а , распределение радиальных остаточных напряжений будет совпадать (рис. 2). При этом уровень значений радиальной компоненты тензора остаточных напряжений существенно ниже окружной. Изменение параметра а влияет на распределение осевой компоненты тензора остаточных напряжений о^ ф) (см. рис. 3) при одной и той же зависимости для о^й) (см. рис. 1).

Р и с. 1. Аппроксимация окружной экспериментально замеренной компоненты тензора остаточных напряжений для сплава ЖС6КП [2] по глубине упрочненного слоя к

Р и с. 3. Распределение осевой компоненты тензора остаточных напряжений (Г2 в зависимости от параметра а для одной и той же заданной компоненты Од

Р и с. 2. Распределение радиальной компоненты тензора остаточных напряжений по глубине упрочненного слоя

Из представленной на рис. 1 и 3 информации видно, что при наведении ППД по схеме первого случая (0 < а < 1) максимальная величина осевых сжимающих напряжений может быть существенно ниже максимальной величины окружных остаточных напряжений. Причем в предельном случае при а  0 она меньше практически в три раза. Следует отметить, что при наведении ППД как на плоскости (а = 1), максимальные величины осевых и окружных сжимающих напряжений практически одинаковы.

При наведении ППД по схеме второго случая

практически в три раза больше о1^ (к).

Полученные в настоящей работе результаты позволяют сделать вывод о том, что если возможно технически реализовать упрочнение цилиндрического образца по схеме второго случая, то можно существенно увеличить максимальную величину осевой компоненты сжимающих напряжений. В силу того, что эффективность упрочнения в условиях усталости и ползучести материала определяется именно этой компонентой, то такой способ упрочнения может значительно повысить эффективность процедуры ППД.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Радченко В.П., Саушкин М.Н. Математическое моделирование кинетики остаточных напряжений в поверхностно-упрочненном слое конструкций// Математическое моделирование. Тр. международной конференции. Самара. 2001. с. 40-41.

2. Радченко В.П., Саушкин М.Н. Расчет релаксации остаточных напряжений в поверхностно-упрочненном слое цилиндрического изделия в условиях ползучести// Вест. СамГТУ. Серия: Физ.-мат. науки. Вып. № 12. С. 61-72.

Поступила 21.01.2004