Оценка эффективности методов упрочняющей обработки цилиндрических деталей из стали 30ХГСА

УДК 621.787:539.319

DOI 10.21685/2072-3059-2017-1-11

В. П. Сазанов

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕТОДОВ УПРОЧНЯЮЩЕЙ ОБРАБОТКИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ ИЗ СТАЛИ 30ХГСА

Аннотация.

Актуальность и цели. Объектом исследования являются цилиндрические образцы с надрезами из стали 30ХГСА, подвергнутые поверхностному упрочнению двумя методами: гидродробеструйной обработке и обкатке роликами. Предметом исследования являются остаточные напряжения в поверхностном слое образцов после упрочнения. Цель работы - исследование влияния данных остаточных напряжений на многоцикловую усталость, а также установление возможности использования разработанных расчетных методик для оценки эффективности поверхностного упрочнения.

Материалы и методы. Исследования распределения остаточных напряжений в поверхностном слое, а также сопротивления многоцикловой усталости цилиндрических образцов выполнены расчетными и экспериментальными методами.

Результаты. Применение расчетных методов оценки эффективности упрочняющей обработки показало, что расхождение между расчетными и экспериментальными значениями приращений предела выносливости за счет упрочнения цилиндрических образцов с полукруглым надрезом из стали 30ХГСА не превышает 9 % при гидродробеструйной обработке и 4 % при обкатке роликами.

Выводы. Применение расчетных методик определения приращения предела выносливости позволяет проводить оценку эффективности поверхностного упрочнения с достаточной для практики точностью без проведения длительных и дорогостоящих испытаний на усталость.

Ключевые слова: поверхностное упрочнение, гидродробеструйная обработка, обкатка роликом, остаточные напряжения, предел выносливости.

V. P. Sazanov

THE ESTIMATION OF HARDENING METHODS EFFICIENCY FOR CYLINDRICAL PARTS MADE OF 30ХГСА STEEL

Abstract.

Background. The investigated objects are cylindrical specimens made of 30ХГСА steel with surface cuts hardened by two ways: hydro blasting and rolling. The subject of the investigation is the residual stresses in the surface layer of specimens after hardening. The purpose of the work is to investigate the residual stresses' influence on the multicyclic fatigue and to establish a possibility of applying the developed calculation methods to evaluate surface hardening efficiency.

Materials and methods. The investigation of the residual stresses distribution in the surface layer, as well as the multicyclic fatigue resistance of cylindrical specimens was carried out by calculation and experimental methods.

Results. The application of calculation methods for hardening efficiency evaluation showed that the difference between calculated and experimental values of the

endurance limit increments by hardening in cylindrical specimens made of 30ХГСА steel with a semicircular cut didn't exceed 9 % under hydro-shot blasting and 4 % under rolling.

Conclusions. The application of calculation methods to determine the endurance limit increment allows to estimate the efficiency of surface hardening with the accuracy acceptable for practice without long-run and expensive fatigue tests.

Key words: surface hardening; hydro-shot blasting; rolling; residual stresses; endurance limit.

Введение

Одним из важных вопросов механики остаточных напряжений является установление связи между остаточными напряжениями и сопротивлением деталей усталости. Особую значимость эта задача приобрела в связи с широким применением на практике различных методов поверхностного упрочнения, приводящих к существенному увеличению характеристик сопротивления усталости, особенно в условиях концентрации напряжений. Наиболее актуально выявление зависимости сопротивления усталости от остаточных напряжений для деталей с концентраторами, так как разрушение этих деталей происходит, как правило, в местах нарушения призматической формы [1-3]. У разработчика, как правило, существует достаточно широкий выбор методов поверхностного упрочнения деталей, и в связи с этим необходимы методы и критерии оценки их эффективности при выборе в зависимости от целевой функции.

Для оценки эффективности повышения сопротивления усталости деталей за счет упрочняющих технологий и оптимизации режимов упрочнения на стадиях проектирования и разработки конструкторской документации изделий возникает потребность в специализированных расчетно-теоретических и расчетно-экспериментальных методах. Достоинством данных методов должен являться тот факт, что выбор вида и параметров технологического процесса упрочнения выполняется без проведения дорогостоящих и длительных испытаний деталей или образцов на усталость. В данной работе для исследования применен расчетно-экспериментальный метод, который основан на использовании конечно-элементного моделирования (комплекс PATRAN/ NASTRAN), а также экспериментальных механических методов определения остаточных напряжений по толщине упрочненного поверхностного слоя. В качестве апробации рассматривались два метода поверхностного пластического деформирования, которые наиболее широко применяются в технологических процессах упрочнения деталей - гидродробеструйная обработка (ГДО) и обкатка роликом (ОР).

Теоретический блок

Проведенные эксперименты [4-10] показывают, что наиболее точно связь между приращением предела выносливости упрочненных деталей и остаточными напряжениями отражает критерий среднеинтегральных остаточных напряжений 0ост, предложенный в работе [1]. Данный критерий учитывает влияние на сопротивление усталости не только величины, но и характера распределения остаточных напряжений по толщине поверхностного слоя опасного сечения детали.

Оценка влияния поверхностного упрочнения на приращение предела выносливости детали Аа_1 при изгибе в случае симметричного цикла с использованием критерия аост производится по следующей зависимости:

Аа_1 =УоРост

где - коэффициент влияния поверхностного упрочнения на предел выносливости по критерию аост,

„ 1

аост

2 г а

а z ©

2

d I;

а 2 - осевые остаточные напряжения в опасном сечении детали по толщине поверхностного слоя у ; ^ = уДкр - расстояние от поверхности опасного сечения детали до текущего слоя, выраженное в долях ^р ; ^р - критическая глубина нераспространяющейся трещины усталости, возникающей в опасном сечении упрочненной детали при работе на пределе выносливости (рис. 1).

А7

/—

Y'/v: m

7

Рис. 1. Цилиндрический образец и нераспространяющаяся трещина усталости

На основании многочисленных экспериментальных данных для образцов и деталей с различными концентраторами напряжений в работах [4, 6-9] было установлено, что коэффициент при симметричном цикле зависит только от степени концентрации напряжений и вычисляется по следующей формуле:

= 0,612 _ 0,081ас

где аа - теоретический коэффициент концентрации напряжений.

Из приведенных в исследованиях [2-4] результатов испытаний на усталость поверхностно упрочненных образцов и деталей следует, что критическая глубина нераспространяющейся трещины усталости не зависит от вида поверхностного упрочнения, материала, типа и размеров концентратора, величины сжимающих остаточных напряжений, типа деформации, асимметрии цикла напряжений и определяется только размерами опасного поперечного сечения. Для сплошных цилиндрических образцов и деталей зависимость для ^р имеет следующий вид [2, 4]:

¿Кр = 0,0216 А,

где £>1 - диаметр опасного сечения образца или детали (см. рис. 1).

Результаты исследований

Для проведения экспериментальной части исследования точением с последующим шлифованием были изготовлены стандартные образцы диаметром 10 мм из стали 30ХГСА [4]. Механические характеристики материала приведены в табл. 1. Одна половина образцов после изготовления подвергалась электрополированию, другая - поверхностному упрочнению на режимах, характерных для практики авиационных предприятий (табл. 2, 3). В качестве смазывающе-охлаждающей жидкости при обкатке роликом использовалось масло И20А.

Таблица 1

Механические характеристики стали 30ХГСА

Материал ств, МПа ст0,2, МПа 8,% Sk, МПа

30ХГСА 788 536 18,9 65,9 1484

Таблица 2

Режимы гидродробеструйной обработки

Параметр Давление масла p, МПа Диаметр шариков d, мм Время обработки Т, мин

Значение 0,28 2,0 8,0

Таблица 3

Режимы обкатки роликом

Параметр Число оборотов образца п, об/мин Подача Б, мм/об Диаметр ролика D, мм Профильный радиус ролика Лпв, мм

Значение 400 0,11 60 1,6

Эпюры осевых остаточных напряжений <г по толщине а поверхностного слоя в гладких образцах после гидродробеструйной обработки и после обкатки роликом, определенные методом колец и полосок [11], приведены на рис. 2. Также определялись и окружные остаточные напряжения <9, но в настоящей работе они не приведены, так как в используемый критерий оценки влияния поверхностного упрочнения на предел выносливости эти напряжения не входят [1]. Однако следует отметить, что после гидродробеструйной обработки выполняется условие <9=02, а после обкатки роликом <9 меньше <2 в 1,8-2,2 раза [4].

Из данных рис. 2 видно, что сжимающие остаточные напряжения после упрочнения дробью в гладких образцах не превышают 450 МПа, а после обкатки роликом не превышают 550 МПа и обе эпюры имеют подповерхностный максимум. Толщина слоя со сжимающими остаточными напряжениями

после обкатки роликом примерно в два раза больше по сравнению с обработкой на гидродробеструйной установке.

0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 О, ММ

0 -100 -200

С

-300

О

400 -500

-воо

Рис. 2. Остаточные напряжения в гладких образцах после гидродробеструйной обработки

На гладкие неупрочненные и упрочненные образцы безнаклепным способом с использованием электрополирования наносились надрезы полукруглого профиля радиусом Я = 0,3 мм.

Расчетная часть исследований выполнялась методом конечно-элементного моделирования с использованием комплекса PATRAN/NASTRAN. Конечно-элементные модели гладких образцов и образцов с надрезами в осе-симметричной постановке представляли собой четверть сечения цилиндра с наложением соответствующих граничных условий. Для моделирования использовался плоский треугольный элемент типа 2D-Solid с шестью узлами. Моделирование остаточных напряжений по толщине упрочненного поверхностного слоя гладких образцов было выполнено методом термоупругости [12].

При определении первоначальных деформаций [13] в конечно-элементной модели гладкого образца в качестве исходных данных использовалось экспериментальное распределение осевых <г остаточных напряжений по толщине а упрочненного поверхностного слоя гладких образцов (рис. 2), определенное методом колец и полосок. Полученные расчетным методом распределения первоначальных деформаций в гладких образцах использовались для расчета распределения остаточных напряжений в образцах с круговыми надрезами полукруглого профиля радиуса Я = 0,3 мм, нанесенными на гладкие образцы после упрочнения, т.е. после опережающего поверхностного пластического деформирования.

Эпюры осевых <зz остаточных напряжений в наименьшем (опасном) сечении образцов с надрезом приведены на рис. 3.

Можно видеть, что сжимающие остаточные напряжения, имея максимум на поверхности надреза, быстро уменьшаются по толщине поверхностного слоя. Следует обратить внимание на тот факт, что величину напряжений в детали с надрезом определяет не только наибольшая величина остаточных

напряжений гладкой детали, но и характер их распределения. Так, в образцах с надрезом максимальные напряжения на поверхности опасного сечения после ОР более чем в два раза выше, чем после ГДО в силу более полного распределения исходных остаточных напряжений.

-200

-400

g -600

Ö -800

-1000

-1200

0,05 0Д0 0 ,15 tUO 0,25 a MM

f-

1

"2

-1400

Рис. 3. Остаточные напряжения в образцах с надрезом Я = 0,3 мм после гидродробеструйной обработки

Значения критерия среднеинтегральных остаточных напряжений сост вычислялись по формуле (2) по толщине поверхностного слоя опасного сечения образцов с надрезами, равной критической глубине ^ нераспространяющейся

трещины усталости. При расчете критерия Сост использовались распределения осевых с2 остаточных напряжений в образцах с надрезами Я = 0,3 мм, приведенные на рис. 3. Расчетное значение критической глубины ¿кр нераспространяющейся трещины усталости определялось по зависимости (4).

Значения коэффициента влияния поверхностного упрочнения на предел выносливости по критерию сост рассчитывались по формуле (3). При этом величина теоретического коэффициента концентрации напряжений ас образцов с надрезами при изгибе определялась методом конечных элементов с использованием расчетного комплекса

После вычисления критерия Сост и коэффициента по формуле (1) определялись расчетные значения приращений пределов выносливости (Дс_1 ) ч упрочненных ГДО и ОР образцов с надрезами радиуса Я = 0,3 мм.

Значения пределов выносливости при изгибе в случае симметричного цикла с_1, теоретического коэффициента концентрации напряжений ас, коэффициента влияния , среднеинтегральных остаточных напряжений

, приращений предела выносливости за счет упрочнения по результатам

эксперимента (Ла_1)эксп и расчета (Л<_1 )расч, глубин нераспространяю-

кр

/расч

щихся трещин усталости tKp приведены в табл. 4.

Таблица 4

Результаты испытаний на усталость и определения остаточных напряжений

Неупроч-ненные образцы CT_j, МПа Упрочненные образцы

упрочняющая обработка а-ь МПа «а ¥а аост , МПа (Да-1)эксп , МПа (Аа-1) , \ 1'расч МПа ^кр , мм

180 ГДО 270 2,7 0,386 -208 90 82 0,203

ОР 400 2,7 0,382 -583 220 229 0,203

Из представленных в табл. 4 данных следует, что обкатка роликом по сравнению с гидродробеструйной обработкой дает большее приращение предела выносливости за счет упрочнения, которое пропорционально значению среднеинтегральных остаточных напряжений <ост, определенных на критической глубине ¿кр нераспространяющейся трещины усталости. Также очевидно, что большее значение <ост при обкатке роликом объясняется более полной эпюрой остаточных напряжений за счет большей толщины упрочненного слоя по сравнению с гидродробеструйной обработкой (см. рис. 2, 3).

Заключение

1. Проведенные исследования по определению пределов выносливости при изгибе в случае симметричного цикла цилиндрических образцов диаметром 10 мм из стали 30ХГСА показали, что упрочнение поверхности обкаткой роликом является более эффективным методом по сравнению с гидродробеструйной обработкой при принятых режимах технологических процессов. При этом приращение предела выносливости относительно неупрочненных образцов при ОР почти в 2,5 раза выше, чем при ГДО.

2. Использованный в исследовании метод расчета показал, что расхождение между расчетными и экспериментальными значениями приращений предела выносливости за счет упрочнения в цилиндрических образцах с полукруглым надрезом не превышает 9 % при ГДО и 4 % при ОР.

3. Проведенные исследования показали, что применение расчетно-экспериментальных методов прогнозирования предела выносливости позволит назначать оптимальные по сопротивлению многоцикловой усталости режимы и методы поверхностного пластического деформирования деталей сложной формы без проведения длительных и дорогостоящих испытаний на многоцикловую усталость.

4. Для прогнозирования предела выносливости поверхностно упрочненной детали с концентраторами напряжений и, соответственно, оценки эффективности упрочнения вначале определяются первоначальные деформации гладкого образца-свидетеля, обработанного одновременно с упрочняемой деталью. По первоначальным деформациям образца-свидетеля производится расчет остаточных напряжений по толщине поверхностного слоя опасного

сечения детали. Критическая глубина ¿кр нераспространяющейся трещины

усталости вычисляется по формуле (4), критерий среднеинтегральных остаточных напряжений <ост - по формуле (2), коэффициент влияния упрочнения на предел выносливости - по зависимости (3). После определения значений критерия <ост и коэффициента по формуле (1) рассчитывается

приращение предела выносливости Л<_1 поверхностно упрочненной детали с концентратором напряжений.

Библиографический список

1. Павлов, В. Ф. О связи остаточных напряжений и пределах выносливости при изгибе в условиях концентрации напряжений / В. Ф. Павлов // Известия вузов. Машиностроение. - 1986. - № 8. - С. 29-32.

2. Павлов, В. Ф. Влияние на предел выносливости величины и распределения остаточных напряжений в поверхностном слое детали с концентратором. Сообщение I. Сплошные детали / В. Ф. Павлов // Известия вузов. Машиностроение. -1988. - № 8. - С. 22-26.

3. Павлов, В. Ф. Влияние на предел выносливости величины и распределения остаточных напряжений в поверхностном слое детали с концентратором. Сообщение II. Полые детали / В. Ф. Павлов // Известия вузов. Машиностроение. -1988. - № 12. - С. 37-40.

4. Павлов, В. Ф. Прогнозирование сопротивления усталости поверхностно упрочненных деталей по остаточным напряжениям / В. Ф. Павлов, В. А. Кирпи-чев, В. С. Вакулюк. - Самара : Изд-во СНЦ РАН, 2012. - 125 с.

5. Вакулюк, В. С. Сопротивление усталости детали в зависимости от толщины упрочненного слоя при опережающем поверхностном пластическом деформировании / В. С. Вакулюк // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. академика С. П. Королева (Национального исследовательского университета). - 2012. - № 3 (34). - С. 172-176.

6. Кирпичев, В. А. Остаточные напряжения и сопротивление усталости образцов с У-образными надрезами из стали ВНС40 / В. А. Кирпичев, М. Н. Саушкин, В. П. Сазанов, О. Ю. Семенова // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. академика С. П. Королева (Национального исследовательского университета). - 2012. - № 5 (36). - Ч. 1. - С. 95-99.

7. Кирпичев, В. А. Прогнозирование сопротивления усталости поверхностно упрочненных гладких деталей / В. А. Кирпичев, А. С. Букатый, А. В. Чирков // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. -2012. - № 3 (23). - С. 102-109.

8. Прогнозирование предела выносливости поверхностно упрочненных деталей при различной степени концентрации напряжений / В. А. Кирпичев, А. П. Филатов, О. В. Каранаева, А. В. Чирков, О. Ю. Семенова // Прочность материалов и элементов конструкций : тр. МНТК. - Киев : ИПП им. Г. С. Писаренко НАНУ, 2011. - С. 678-685.

9. Кирпичев, В. А. Прогнозирование предела выносливости поверхностно упрочненных деталей при различной степени концентрации напряжений / В. А. Кирпичев, А. С. Букатый, А. П. Филатов, А. В. Чирков // Вестник УГАТУ. -2011. - Т. 15, № 4 (44). - С. 81-85.

10. Вакулюк, В. С. Исследование влияния толщины упрочненного слоя на остаточные напряжения во впадине концентратора методом первоначальных деформаций / В. С. Вакулюк // Вестник Самарского государственного технического университета. Сер.: Физ.-мат. науки. - 2010. - № 1 (20). - С. 222-225.

11. Иванов, С. И. К определению остаточных напряжений в цилиндре методом колец и полосок / С. И. Иванов // Остаточные напряжения. - Куйбышев : КуАИ, 1971. - Вып. 53. - С. 32-42.

12. Сазанов, В. П. Моделирование перераспределения остаточных напряжений в упрочненных цилиндрических образцах при опережающем поверхностном пластическом деформировании / В. П. Сазанов, А. В. Чирков, В. А. Самойлов, Ю. С. Ларионова // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. академика С. П. Королева (Национального исследовательского университета). - 2011. - № 3 (27). - Ч. 3. - С. 171-174.

13. Павлов, В. Ф. Расчет остаточных напряжений в деталях с концентраторами напряжений по первоначальным деформациям / В. Ф. Павлов, А. К. Столяров, В. С. Вакулюк, В. А. Кирпичев. - Самара : Изд-во СНЦ РАН, 2008. - 124 с.

References

1. Pavlov V. F. Izvestiya vuzov. Mashinostroenie [University proceedings. Mechanical engineering]. 1986, no. 8, pp. 29-32.

2. Pavlov V. F. Izvestiya vuzov. Mashinostroenie [University proceedings. Mechanical engineering]. 1988, no. 8, pp. 22-26.

3. Pavlov V. F. Izvestiya vuzov. Mashinostroenie [University proceedings. Mechanical engineering]. 1988, no. 12, pp. 37-40.

4. Pavlov V. F., Kirpichev V. A., Vakulyuk V. S. Prognozirovanie soprotivleniya us-talosti poverkhnostno uprochnennykh detaley po ostatochnym napryazheniyam [Forecasting fatigue resistance of items with hardened surfaces by residual stresses]. Samara: Izd-vo SNTs RAN, 2012, 125 p.

5. Vakulyuk V. S. Vestnik Samarskogo gosudarstvennogo aerokosmicheskogo universi-teta im. akademika S. P. Koroleva (Natsional'nogo issledovatel'skogo universiteta) [Bulletin of Samara State Aerospace University named after academician S.P. Korolyov (National Research University)]. 2012, no. 3 (34), pp. 172-176.

6. Kirpichev V. A., Saushkin M. N., Sazanov V. P., Semenova O. Yu. Vestnik Samar-skogo gosudarstvennogo aerokosmicheskogo universiteta im. akademika S. P. Koroleva (Natsional'nogo issledovatel'skogo universiteta) [Bulletin of Samara State Aerospace University named after academician S.P. Korolyov (National Research University]. 2012, no. 5 (36), part 1, pp. 95-99.

7. Kirpichev V. A., Bukatyy A. S., Chirkov A. V. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Povolzhskiy region. Tekhnicheskie nauki [University proceedings. Volga region. Engineering sciences]. 2012, no. 3 (23), pp. 102-109.

8. Kirpichev V. A., Filatov A. P., Karanaeva O. V., Chirkov A. V., Semenova O. Yu. Prochnost' materialov i elementov konstruktsiy: tr. MNTK [Strength of materials and structural elements: proceedings of the International scientific and technical conference]. Kiev: IPP im. G. S. Pisarenko NANU, 2011, pp. 678-685.

9. Kirpichev V. A., Bukatyy A. S., Filatov A. P., Chirkov A. V. Vestnik UGATU [Bulletin of USATU]. 2011, vol. 15, no. 4 (44), pp. 81-85.

10. Vakulyuk V. S. Vestnik Samarskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Ser.: Fiz.-mat. nauki [Bulletin of Samara State Technical University. Series: Physical and mathematical sciences]. 2010, no. 1 (20), pp. 222-225.

11. Ivanov S. I. Ostatochnye napryazheniya [Residual stresses]. Kuybyshev: KuAI. 1971, iss. 53, pp. 32-42.

12. Sazanov V. P., Chirkov A. V., Samoylov V. A., Larionova Yu. S. Vestnik Samarskogo gosudarstvennogo aerokosmicheskogo universiteta im. akademika S. P. Koroleva (Natsional'nogo issledovatel'skogo universiteta) [Bulletin of Samara State Aerospace University named after academician S.P. Korolyov (National Research University]. 2011, no. 3 (27), part 3, pp. 171-174.

13. Pavlov V. F., Stolyarov A. K., Vakulyuk V. S., Kirpichev V. A. Raschet ostatochnykh napryazheniy v detalyakh s kontsentratorami napryazheniy po pervonachal'nym defor-matsiyam [Calculation of residual stresses in parts with stress points by initial deformation]. Samara: Izd-vo SNTs RAN, 2008, 124 p.

Сазанов Вячеслав Петрович кандидат технических наук, доцент, кафедра сопротивления материалов, Самарский национальный исследовательский университет имени академика С. П. Королева

E-mail: sazanow@mail.ru

Sazanov Vyacheslav Petrovich Candidate of engineering sciences, sub-department of strength of materials, Samara National Research University named after academician S. P. Korolyov

УДК 621.787:539.319 Сазанов, В. П.

Оценка эффективности методов упрочняющей обработки цилиндрических деталей из стали 30ХГСА / В. П. Сазанов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2017. -№ 1 (41). - С. 128-137. БО! 10.21685/2072-3059-2017-1-11