Исследование влияния методов ППД на структуру поверхностного слоя и сопротивление усталости

УДК 621.787.4

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МЕТОДОВ ППД НА СТРУКТУРУ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ И СОПРОТИВЛЕНИЕ УСТАЛОСТИ

© 2012 А. Н. Волков, М. Б. Сазонов, И. А. Чигринёв

Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва

Рассматриваются вопросы влияния различных методов упрочняющей и отделочной обработки на состояние поверхностного слоя - шероховатость, остаточные напряжения, тонкую структуру и внутреннюю потенциальную энергию поверхностного слоя, на сопротивление усталости образцов из титанового слоя. Показана функциональная связь между этими параметрами и пределом выносливости образцов.

Упрочнение, деформация, шероховатость, остаточные напряжения, структура, поверхностный слой, дефекты.

Усталостное разрушение, как правило, начинается с поверхности. Поэтому сопротивление усталости весьма значительно зависит от состояния поверхностного слоя -шероховатости, структуры материала, поверхностных дефектов и остаточных напряжений (ОН). Эти факторы непосредственно связаны с видом финишной обработки деталей, обусловливающей характер и степень деформации, изменение структуры и энергетического уровня материала.

При обработке деталей поверхностнопластическим деформированием (ППД) деформация верхних слоёв протекает неравномерно. Она начинается в зёрнах в виде скольжений по кристаллографическим плоскостям с наиболее плотной упаковкой атомов и совпадающих с направлением максимальных касательных напряжений. По мере наращивания силы деформацией охватываются и другие зерна. В процессе скольжений происходит движение дислокаций и вакансий и лавинообразный рост их числа. Взаимодействие дислокаций между собой, пересечение их линий движения, встреча с другими несовершенствами кристаллической решётки, скопления у препятствий (границы зёрен, блоков, включений) приводит к увеличению сопротивления их движения, то есть к упрочнению материала. При этом тонкая кристаллическая структура претерпевает существенные изменения. Происходит дробление блоков, увеличение микроискажений решётки, возрастает внутренняя потенциальная энергия, усиливаются внутри - и меж-кристаллитные напряжения. В результате изменяются пластические свойства материала, условия для зарождения и распростране-

ния усталостных трещин.

При росте давления в зоне контакта, степени деформации, плотности дислокаций и вакансий до определённого предела происходит исчерпание пластических свойств материала (перенаклёп), приводящее к разрыхлению металла, снижению его прочности и выносливости.

Установление связи между структурноэнергетическим состоянием материала и сопротивлением усталости позволяет оптимизировать процесс упрочняющей обработки, обеспечить контроль технологического процесса обработки и его надёжность, повысить эксплуатационные характеристики деталей и изделий.

Исследования изменения параметров тонкой структуры в связи с остаточными напряжениями и сопротивлением усталости проводились на специальных тонкостенных образцах с сечением 12x1 мм. Образцы изготавливались из титанового сплава ВТ9, широко используемого для изготовления лопаток компрессора ГТД. Финишные операции при изготовлении образцов после полирования проводились различными способами ППД и отделки: обработка микрошариками диаметром 0,16...0,3 мм (ОМШ) на различных режимах - отдельно и в сочетании с виброшлифованием (ВШ), виброупрочнением (ВУ) или виброконтактным полированием мелкозернистой абразивной лентой (ВКПАЛ); гидродробеструйная обработка (ГДО) шарами диаметром 2...3 мм в сочетании с ВУ.

Параметры тонкой структуры и искажения кристаллической решетки определялись на поверхности с помощью дифракто-

метра Дрон-3. В качестве эталонного образца использовался полированный недеформиро-ванный материал, термообработанный по ТУ. Со всех образцов снимались рентгенограммы двух линий - с малым значением суммы квадратов индексов (102) и с большим - (203). Съёмка образцов производилась на Сикс1 -излучении.

По расчётному значению площади £ (мм2) под кривой распределения интенсивности и высоте линии И (мм) рентгенограммы определялось экспериментальное ушире-ние дифракционной линии В = 8 / Ъ (мм), затем рассчитывались физическое истинное уширение линий Р, микроискожения кристаллической решетки А а / а, блочность 1).

Результаты обмера зарегистрированных интерференционных линий на образцах после различных видов упрочняюще-отделочной обработки и расчётные данные представлены в табл.1. Здесь же для сопоставления приведены технологические остаточные напряжения у поверхности. Пределы выносливости образцов определялись усталостными испытаниями на электродинамическом стенде при частоте 190 Гц на базе 108 циклов. Из табл. 1 видно, что при ОМ!II по сравнению с полированием, происходит значительное уширение интерференционных линий и тем больше, чем выше скорость полёта микрошариков (сила удара и время обработки.

Соответственно возрастают искажение кристаллической решетки от 1,28-10 " до 1,56-10 " , остаточные напряжения сжатия у поверхности от 100 до 450...550 МПа, уменьшаются размеры блоков от 3,0 до

о

1,4...2,5-10' см. Применение после ОМШ дополнительного ВКПАЛ приводит к съёму очень тонкого, но наиболее сильно упрочнённого слоя. Поэтому в верхнем слое искажения решётки и остаточные напряжения становятся меньше, а размеры блоков несколько возрастают. Применение дополнительной обработки ВШ и, в особенности, ВУ приводит к обратному эффекту - увеличиваются уширения интерференционных линий, искажения решетки, уменьшаются размеры блоков. Остаточные напряжения у поверхности снижаются в связи со смещением максимума на глубину. Это обусловлено дополнительной деформацией и упрочнением по-

верхностного слоя шарами диаметром

2...3 мм, входящими в состав рабочей среды этих процессов. Аналогичные, но ещё большие изменения происходят при ГДО+ВУ -процессах с наибольшим силовым воздействием. При этих видах обработки лопаток компрессора ГТД наблюдается сквозной проклёп кромок и перенаклёп поверхностного слоя. Оптимизация упрочнения до определённого предела позволяет повысить предел выносливости с 340 до 500 МПа. Пере-упрочнение поверхностного слоя и снижение остаточных напряжений и поверхности при ГДО+ВУ приводит к уменьшению сопротивления усталости. Таким образом, в зоне допустимого увеличения упрочнения происходит уменьшение размеров блоков, увеличение искажений кристаллической решетки и примерно пропорциональное увеличение уровня остаточных макронапряжений сжатия, что объединяет их в оценке степени деформации и упрочнения поверхностного слоя. Повышение внутренней потенциальной энергии в поверхностном слое образцов сопровождается усилением экзоэлектронной эмиссии (ЭЭЭ). Для контроля энергетического состояния использовалась установка, состоящая из вакуумной камеры и комплекса электронной аппаратуры. Количество ЭЭЭ оценивалось средней интенсивностью I экзоэлектронной эмиссии.

В табл. 2 приведены опытные данные о величине интенсивности ЭЭЭ других образцов из сплава ВТ9 после различных видов отделочно-упрочняющей обработки, показана связь I с параметрами качества поверхностного слоя. Номера серий образцов совпадают с табл. 1. Из таблицы видно, что величина интенсивности ЭЭЭ существенно зависит от напряжённо-деформированного состояния и шероховатости поверхностного слоя. При увеличении шероховатости после ОМШ с Ла от 0,2 до 1,1... 1,2 мкм (серии 1,2,3,4,5,9) интенсивность ЭЭЭ снижается с 720 до 410...680 имп/с, что связано с большим рассеиванием эмиссии электронов. Наблюдаемый разброс данных можно объяснить значительным влиянием и разным уровнем деформации упрочнения и остаточных напряжений а 0ст, которые повышают общий уровень внутренней энергии и соответственно увеличивают экзоэмиссию.

Таблица 1. Параметры рентгенограмм, измеренные и физические уширения образцов из сплава

ВТ9, обработанных различными способами

№ се- рии Вид обработки Анализи- руемые линии мм2 /г, мм в, мм Д а/а-10'3 ШО-8, см Оост, МПа 0-1, МПа

Исходное состояние 102 6070 131 46,33 1,25 2,1

поверхностного слоя 203 5400 100 54,00

1 Полирование 102 8080 128 63,12 1,28 3,0 -100 370

203 3290 42 78,33

2 ОМШ(У=3 8м/с, 102 5280 72 73,33 1,54 2.5 -450

1=3 мин) 203 5610 64 87,65

3 ОМШ(У=46м/с, 102 5810 81 71,73 1,54 2,49 -530 360

1=3 мин) 203 4090 42 97,38

4 ОМШ(У=46м/с, 102 4005 52 77,02 1,56 2,48 -450

1=6 мин) 203 4440 38 116,84

5 ОМШ + 102 9220 129 71,47 1,52 2.52 -300 430

ВК ПАЛ 203 6610 68 97,21

6 ОМШ + ВШ 102 6370 75 84,93 1,58 1,8 -340 400

203 3620 49 73,88

7 ОМШ + ВУ 102 5200 54 96,30 1,7 1,4 -550 500

203 3280 32 102,5

8 ГД 0+ ВУ 102 6670 84 79,40 1,75 1,3 -300 340

203 2350 24 97,92

Таблица 2. Зависимость интенсивности экзоэлектронной эмиссии (ЭЭЭ) от параметров качества поверхностного слоя и предела выносливости образцов из сплава ВТ9

№ серии Вид обработки Параметры качества поверхностного слоя Предел выносливости

Оост, МПа Яа, мкм /, имп/с 0-1, МПа

1 Полирование -100 0,3 720 370

2 ОМШ (у=38 м/с, т=3 мин) -480 1Д 410 320

3 ОМШ (\ =46 м/с, т=3 мин) -510 1,2 680 380

4 ОМШ (\ =46 м/с, т=6 мин) -420 1,6 400 340

5 ОМШ+В КЛАЛ -280 0,2 140 460

6 ОМШ+ВШ -310 0,50 700 380

7 ОМШ+ВУ -540 0,9 900 460

8 ГДО+ВУ -280 0,6 600 360

9 Полирование+ВКПАЛ +50 0,2 500 340

При примерно одинаковом уровне шероховатости (серии 6, 7, 8) интенсивность экзоэмиссии возрастает с увеличением деформационного упрочнения (остаточных напряжений). Из табл. 2 также видно, что с увеличением интенсивности ЭЭЭ предел выносливости образцов возрастает по линейной зависимости при сравнительно небольшом разбросе данных. Это объясняется тем, что предел выносливости возрастает в большей мере с увеличением степени упроч-

нения поверхностного слоя и ОН и в меньшей мере зависит от шероховатости поверхности. Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о функциональной связи между пределом выносливости, параметрами тонкой кристаллической структуры и интенсивностью ЭЭЭ. Эти параметры могут быть критериями оптимизации упрочнения поверхностного слоя, средством контроля степени упрочнения и надёжности технологического процесса финишной обработки.

RESEARCH OF INFLUENCE OF METHODS SPD ON STPUCTURE SURFACE LAYER

AND RESISTANCE OF FATIGUE

© 2012 A. N. Volkov, М. B. Sazonov, I. A. Schigrinyev

Samara State Aerospace University named after academician S.P. Korolyov

Methods of combining surface-plasto deformation pieces from titanium alloy BT9. Research of quality of surface layer is fulfilled. Functional dependence is determined between hardiness limit, fine crystalline structure parameters and intensity of exoelectronic emission.

Hardening, deformation, roughness, residual stresses, structure, surface layer, defects.

Информация об авторах

Волков Александр Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры механической обработки материалов, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет). E-mail: fdla@ssau.ru. Область научных интересов: механическая обработка материалов.

Сазонов Михаил Борисович, кандидат технических наук, доцент кафедры механической обработки материалов, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет). E-mail: fdla@ssau.ru. Область научных интересов: механическая обработка материалов.

Чигринёв Илья Александрович, инженер кафедры механической обработки материалов, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет). E-mail: fdla@ssau.ru. Область научных интересов: механическая обработка материалов.

Volkov Alexander Nikolaevich, Candidate in Engineering Science, Associate Professor of the Department of Materials Machining. Samara State Aerospace University named after academician S.P. Korolyov (National Research University). E-mail: fdla@ssau.ru. Area of research: machining of materials.

Sazonov Michael Borisovich, Candidate in Enqineering Science, Associate Professor of the Department of Materials Machining. Samara State Aerospace University named after academician S.P. Korolyov (National Research University). E-mail: fdla@ssau.ru. Area of research: machining of materials.

Schiqrinyev Ilia Alexandrovich, enqineer of Materials Machining Department. Samara State Aerospace University named after academician S.P. Korolyov (National Research University). E-mail: fdla@ssau.ru. Area of research: machining of materials.