Разработка методов расчета остаточных напряжений и сопротивления усталости в неоднородном поверхностном слое элементов конструкций

Оглавление
2
Введение..............................................................6
1. Обзор литературы по теме диссертации и постановка задач исследования................................................................11
1.1. Методы определения остаточных напряжений в деталях с концентраторами с позиций механики деформируемого
твердого тела.........................................................11
1.2. Прогнозирование и ускоренное определение
предела выносливости..................................................18
1.3. Влияние технологических остаточных напряжений на сопротивление усталости и методики численного учета этого
влияния...............................................................29
1.4. Основные положения теории ослабленного
поверхностного слоя...................................................34
1.5. Выводы, цель и задачи исследования...............................44
2. Механика возникновения остаточных напряжений в поверхностном слое деталей, предварительно свободных от них....................................46
2.1. Математическая модель возникновения остаточных напряжений в деталях с учетом физической неоднородности поверхностного
слоя и циклических нагрузок...........................................46
2.1.1. Теоретические положения математической модели..................48
2.1.2. Применение метода конечных элементов для определения остаточных напряжений в гладких цилиндрических деталях и
деталях с концентраторами напряжений..................................69
2.2. Методики экспериментального определения остаточных напряжений. Оборудование и методики статических испытаний и испытаний на усталость................................................95
3
2.2.1. Оборудование и методики определения остаточных
напряжений...........................................................96
2.2.2. Оборудование и методики статических испытаний
и испытаний на усталость............................................113
2.3. Механика формирования остаточных напряжений в поверхностном слое гладких деталей с учетом действия
циклических нагрузок................................................130
2.3.1. Влияние физико-механических характеристик поверхностного слоя деталей на распределение остаточных напряжений в условиях однократно-статических и стационарно циклических нагружений.........132
2.3.2. Закономерности формирования остаточных напряжений в
гладких деталях на этапе разгружения при испытаниях на усталость 174
2.4. Механика формирования остаточных напряжений
в условиях концентрации напряжений при однократно-статическом нагружении..........................................................186
2.4.1. Влияние физико-механических характеристик поверхностного слоя на распределение остаточных напряжений после однократностатического нагружения.............................................186
2.4.2. Расчетно-экспериментальная методика определения механических характеристик ослабленного поверхностного слоя..198
2.5. Механика формирования остаточных напряжений в условиях концентрации напряжений при действии циклической
нагрузки............................................................203
2.6. Методика прогнозирования предела выносливости деталей, предварительно свободных от остаточных напряжений, с использованием принципов механики остаточных напряжений.............234
2.7. Связь остаточных напряжений и эффективного коэффициента концентрации........................................................239
2.8. Выводы по главе................................................243
4
3. Механика перераспределения остаточных напряжений в поверхностном слое деталей в условиях концентрации после ОППД
при действии циклических нагрузок.........................................246
3.1. Математические модели возникновения и перераспределения остаточных напряжений в деталях, обработанных ОППД, при циклическом нагружении. Методики
экспериментального исследования.....................................246
3.2. Влияние ОППД на формирование остаточного напряженно-деформированного состояния физически неоднородного поверхностного слоя деталей с концентраторами напряжений.....256
3.3. Методика прогнозирования предела выносливости деталей, изготовленных ОППД с использованием принципов механики остаточных напряжений........................................285
3.4. Выводы по главе................................................291
4. Механика перераспределения остаточных напряжений в поверхностном слое деталей после ППД при действии
циклических нагрузок......................................................293
4.1. Математические модели формирования и перераспределения остаточных напряжений, обработанных ППД, при циклическом нагружении. Закономерности формирования остаточных напряжений в локальных зонах упрочнения..........................................293
4.2. Влияние ППД на закономерности перераспределения остаточных напряжений поверхностного слоя при однократно-статическом нагружении. Методика определения механических характеристик физически-неоднородного поверхностного слоя с учетом ППД............306
4.3. Влияние ППД и физико-механических свойств упрочненного поверхностного слоя на перераспределение остаточных напряжений
при циклическом нагружении..........................................314
4.4. Методика прогнозирования предела выносливости деталей,
5
изготовленных Г1ПД с использованием принципов механики
остаточных напряжений..............................................324
4.5. Выводы по главе...............................................328
5. Применение принципов механики остаточных напряжений для прогнозирования предела выносливости деталей по
трещинообразованию.......................................................330
5.1. Методика прогнозирования предела выносливости по трещинообразованию деталей предварительно свободных от остаточных напряжений........................................332
5.2. Особенности прогнозирования предела выносливости деталей, изготовленных ОППД и ППД.....................................343
5.3. Выводы по главе...............................................358
6. Заключение............................................................359
Литература...............................................................363
Приложения
390
6
Введение.
Снижение материальных и трудовых затрат при создании и изготовлении более совершенных машин с одновременным повышением их срока службы, надежности, снижением веса является основной задачей современного машиностроения, транспорта, авиа- и ракетостроения. В свете этой задачи особое положение занимает механика деформируемого твердого тела, как инструмент изучения самых разных задач, в том числе и проблемы сопротивления усталости, которая определяет, в основном, допустимый срок безопасной службы конструкции.
Изучению поведения конструктивных элементов, имеющих различные концентраторы напряжений, при знакопеременных нагрузках различных видов уделяется в последнее время повышенное внимание как отечественными, так и зарубежными исследователями. Толчок исследованиям усталости в авиастроении дали многократные случаи разрушения в воздухе самолетных конструкций, имевших достаточную статическую прочность. Эти случаи интенсифицировали теоретические и экспериментальные разработки в области механики деформируемого твердого тела и механики разрушения, сопротивления материалов и других наук, изучающих процессы, приводящие к катастрофическим изменениям в деталях машин под воздействием циклических нагрузок. Параллельно с этим шло развитие науки, изучающей в рамках механики деформируемого твердого тела условия и закономерности возникновения остаточных напряжений, которая в итоге выросла в отдельный раздел - механику остаточных напряжений. Работы последних лет в этой области позволили выяснить влияние технологических факторов на уровень остаточных напряжений, связать различные критериальные оценки этого уровня и характеристики усталости разнообразными эмпирическими зависимостями. Несмотря на это, достаточно обобщенных и точных математических моделей, учитывающих нелинейность процессов наведения остаточных напряжений, к настоящему времени не создано.
Влиянию остаточных напряжений, формирующихся в процессе
7
эксплуатации изделия под воздействием циклических нагрузок, на сопротивление усталости деталей не было уделено достаточного внимания, хотя изучение этого явления, как с позиций механики остаточных напряжений, так и с позиций механики разрушения является достаточно актуальным.
Одним из резервов повышения качества, надежности и ресурса авиационной и космической техники является использование при изготовлении деталей современных видов и средств упрочняющей технологии. Применение этой технологии позволяет существенно повысить сопротивление усталости и контактной коррозии, статическую прочность в условиях хрупкого разрушения и другие виды работоспособности. Влияние технологии проявляется через ряд факторов качества поверхностного слоя, среди которых остаточные напряжения играют основную роль. Особенно важно знать влияние этого фактора на сопротивление усталости в условиях концентрации напряжений, так как дефекты, связанные с усталостными разрушениями деталей летательных аппаратов и двигателей, наиболее распространены, а поломки происходят, как правило, в местах концентрации напряжений. Поэтому исследование влияния технологических остаточных напряжения на сопротивление усталости в условиях концентрации напряжений является актуальной задачей технологии изготовления и прочности.
В то же время существующие на сегодняшний момент полуэмпирические зависимости характеристик сопротивления усталости деталей от уровня и распределения остаточных напряжений, хотя и достаточно точны, но не удовлетворяют современным потребностям в связи с отсутствием научнообоснованных математических моделей влияния технологических остаточных напряжений.
Настоящая диссертация посвящена изучению закономерностей формирования остаточных напряжений в деталях, подвергнутых действию циклических нагрузок, закономерностей перераспределения остаточных напряжений после различного вида технологических процессов упрочнения при действии циклических нагрузок. В ней построены математические модели
8
формирования и перераспределения остаточного напряженно-деформированного состояния в поверхностных слоях цилиндрических деталей с различного рода концентраторами напряжений. На их основе выявлены закономерности, позволившие разработать методики определения механических характеристик поверхностных слоев, расчета предела выносливости как не упрочненных, так и упрочненных деталей. Это позволит ввести остаточные напряжения в стандартные прочностные расчеты, прогнозировать сопротивление усталости деталей, значительно сократить длительные и дорогостоящие испытания на усталость.
Целью данной работы является исследование остаточных напряжений в цилиндрических деталях, формирующихся и перераспределяющихся в процессе циклического нагружения, а также их взаимосвязи с сопротивлением усталости при различных видах напряженно-деформированного состояния поверхностных слоев.
Диссертация выполнена на кафедре сопротивления материалов Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика
С.П. Королева. Она состоит из введения, пяти разделов и заключения.
В первом разделе дается аналитический обзор литературы по теме диссертации и сформулированы задачи исследования.
Во втором разделе изложены математическая модель формирования остаточных напряжений в поверхностном слое деталей, предварительно свободных от них, методики экспериментального определения остаточных напряжений, результаты теоретических и экспериментальных исследований, на основе которых представляются основные закономерности формирования остаточных напряжений и методика прогнозирования предела выносливости данного класса деталей. Приводится одно из объяснений факта отличия эффективного коэффициента концентрации от теоретического.
В третьем разделе рассматриваются математические модели возникновения остаточных напряжений после образования концентратора при опережающем поверхностном пластическом деформировании (ОППД) и
9
перераспределения остаточных напряжений при циклическом нагружении, описаны результаты качественной и количественной оценки влияния ОППД на формирование остаточного напряженно-деформированного состояния физически неоднородного поверхностного слоя деталей с концентраторами напряжений. Предлагается методика прогнозирования предела выносливости деталей, изготовленных ОППД, основанная на принципах механики остаточных напряжений.
В четвертом разделе изложена математическая модель перераспределения остаточных напряжений в деталях после поверхностного пластического деформирования (ППД) при циклическом нагружении, приводятся результаты теоретического и экспериментального исследования на данном классе упрочненных деталей, на основе выявленных закономерностей приводится методика прогнозирования предела выносливости упрочненных деталей.
В пятом разделе изложено применение принципов механики остаточных напряжений к прогнозированию предела выносливости по трещинообразованию как не упрочненных, так и упрочненных деталей.
На защиту выносятся следующие новые научные результаты:
> Математические модели формирования и перераспределения остаточных напряжений в поверхностном слое как не упрочненных, так и упрочненных ОППД и ППД деталей.
> Методики определения механических характеристик физически неоднородного поверхностного слоя не упрочненных и упрочненных деталей.
> Результаты теоретического и экспериментального исследования процесса формирования остаточных напряжений в деталях, предварительно свободных от них в широком диапазоне типоразмеров цилиндрических деталей, использованных материалов и видов деформации.
> Результаты теоретического и экспериментального исследования перераспределения остаточных напряжений в цилиндрических деталях, изготовленных с использованием различных методов обработки ОППД и
10
ппд.
> Объяснение с позиций механики остаточных напряжений феномена отличия эффективного коэффициента концентрации напряжений от теоретического и влияния масштабного фактора на сопротивление усталости.
> Установленное влияние механических характеристик физически неоднородного поверхностного слоя и вида деформации на распределение остаточных и перераспределение технологических остаточных напряжений при циклическом нагружении, а через них - на сопротивление усталости.
> Основанные на принципах механики остаточных напряжений методики прогнозирования предела выносливости не упрочненных и упрочненных ОППД и ППД деталей.
> Применение принципов механики остаточных напряжений к прогнозированию предела выносливости по трещинообразованию упрочненных ОППД и ППД и не упрочненных деталей, соответствующая методика расчета предела выносливости.
11
1. Обзор литературы по теме диссертации и постановка задач исследования.
1.1. Методы определения остаточных напряжений в деталях с концентраторами с позиций механики деформируемого твердого тела.
Для создания адекватной математической модели процессов, происходящих в поверхностном слое при циклическом нагружении, в настоящем исследовании требовалось отыскать достаточно точный метод определения остаточных напряжений. В связи с этим был проведен анализ литературных источников для выбора наиболее достоверного метода экспериментального исследования остаточного напряженно-деформированного состояния.
Первые работы по остаточным напряжениям были проведены русскими учеными Калакуцким И.В. и Умновым И.А. более века назад. Значительный, вклад в развитие теории остаточных напряжений и их роли в сопротивлении усталости, коррозии, короблении деталей внесли отечественные ученые Биргер И.А., Гликман Л.А., Давиденков H.H., Иванов С.И., Кравченко Б.А., Кудрявцев И.В., Одинг И.А., Папшев Д.Д., Степнов М.H., Туровский М.Л., Школьник Л.М., а также зарубежные ученые Алмен И., Бюлер Г., Дои.О., Закс Г., Тум А. и др.
В большей части работ рассматриваются остаточные напряжения в гладких деталях. Эти работы неоднократно анализировались в диссертациях /46, 49, 65, 197, 199/ и обзорных статьях /36, 37, 38/. Однако наиболее интересными с практической точки зрения являются остаточные напряжения в концентраторах, так как именно здесь зарождаются трещины усталости, приводящие к разрушению.
В начале рассмотрим работы, в которых описываются расчетноэкспериментальные методы определения остаточных напряжений в галтелях, надрезах, впадинах шестерен и шлиц. В работе /23/ изложено определение остаточных напряжений в деталях сложной формы, для чего в районе исследуемой поверхности вырезается полоска, с которой в дальнейшем
12
электрохимическим травлением удаляются слои и измеряются возникающие при этом продольные деформации с помощью тензорезисторов. Дополнительные напряжения за счет вырезки полоски из детали не учитывались. Предложенным способом можно определять остаточные напряжения в деталях больших размеров и, кроме того, лишь совокупность компонентов остаточного напряженного состояния.
Определению остаточных напряжений в деталях сложной формы также посвящена статья /67/, в которой предлагается исследовать образцы, вырезанные из детали в галтельных переходах. Исследование проводили послойным удалением материала с криволинейной части образцов и одновременным измерением перемещений. Такой подход применим только для деталей и концентраторов больших размеров, о чем свидетельствуют приведенные в этой статье примеры по определению остаточных напряжений в галтелях с радиусами
3,5 и 8 мм. При расчете остаточных напряжений принято допущение, что напряженное состояние одноосное, с чем нельзя согласиться.
Аналогичный подход использован в работах /293, 294/ при определении остаточных напряжений во впадинах зубьев цементованных шестерен. Фигурным электродом электрохимическим способом вырезался образец с поверхностью, эквидистантной поверхности впадины. По измеренным при этом перемещениям, определялись дополнительные остаточные напряжения. Остаточные напряжения образца находились послойным удалением материала с криволинейной части и измерением возникающих при этом перемещений. Для упрощения расчетов участок впадины зубьев представляли в виде дуги окружности, было также использовано предположение о равномерном распределении остаточных напряжений по поверхности впадины. В статье описано впервые прямое определение концентрации остаточных напряжений, для чего напряжения во впадинах зубьев шестерен сравнивались с напряжениями аналогично обработанных плоских образцов. Наблюдалась существенная концентрация остаточных напряжений, чего не может быть в силу малой толщины упрочненного слоя. Это несоответствие является результатом необоснованного применения
13
теории изгиба при определении дополнительных напряжений от вырезки образца.
В статье /246/ определялись остаточные напряжения на дне кругового надреза цилиндрической детали. Применялся метод колец и полосок /36/, широко используемый при исследовании цилиндров. В приведенных формулах не учтены дополнительные остаточные напряжения, возникающие после вырезки колец и полосок из детали. При установлении связи между остаточными напряжениями полоски и ее прогибами в процессе удаления слоев использовалась теория изгиба брусьев, что недопустимо, так как нагрузки, эквивалентные удалению слоев на дне надреза, приложены на участке, длина которого меньше размера поперечного сечения.
В монографии /273/ приведен метод определения остаточных напряжений во впадинах елочного замка лопатки турбины. Учитывали лишь осевые напряжения, для определения которых использовали теорию изгиба брусьев. Второй компонент - окружные напряжения не рассматривали, в то время как они оказывают наибольшее влияние на сопротивление усталости замка. Принятое допущение о том, что окружные остаточные напряжения не влияют на прогибы образца при удалении слоев несправедливо. Как показано в работах /104,105/ это влияние существенно и должно учитываться. В статье /277/, наряду с полосками вдоль пазов замка лопатки, вырезали подоски в поперечном направлении и определяли окружные остаточные напряжения методами сопротивления материалов, применение которых в рассматриваемом случае некорректно.
В статье /319/ утверждается, что если остаточные напряжения имеют выраженную локализацию, то формулы метода удаления слоев, основанные на представлении деформации с помощью растяжения-сжатия и чистого изгиба, могут дать значительную погрешность. Разница в результатах увеличивается при увеличении отношения высоты полосы, у которой удаляется слои, к полуразмеру зоны локализации остаточных напряжений. Учитывая эту особенность, в последние годы задачи о связи остаточных напряжений и перемещении (деформаций), возникающих при удалении сдоев материала в области концентраторов, решаются методом конечных элементов (МКЭ).
14
В работах /49,110/ рассмотрено определение остаточных напряжений во впадинах шлиц. Из полого шлицевого вала вырезали кольцо, разрезали его и удаляли с поверхности впадин тонкие слои материала. Для определения дополнительных остаточных напряжений, возникающих при разрезке кольца, и остаточных напряжений разрезанного кольца применялся метод конечных элементов. Определялись только окружные напряжения, что оправдано, так как усталостные трещины зарождалось на дне впадины шлиц параллельно оси детали. Результаты исследования показали, что полученные остаточные напряжения можно использовать как для оценки оптимальности геометрии шлицевых деталей на стадии проектирования, так и для контроля стабильности технологии изготовления в условиях производства.
В работе /111/ предлагается метод определения остаточных напряжения во впадинах шестерен. Из шестерни вырезали кольцо (зубчатый венец), измерив возникающее при этом изменение наружного диаметра шестерни. Затем кольцо разрезали по образующей и определяли расхождение концов кольца. Далее анодным растворением удаляли слои материала со дна впадин шестерни и измеряли перемещения кольца. Связь между остаточными напряжениями и измеряемыми перемещениями на каждом этапе исследования была найдена МКЭ. При этом определялись меридиональные остаточные напряжения, ответственные за повышение сопротивления усталости зубьев шестерен после поверхностного упрочнения.
В статье /149/ с помощью МКЭ решена задача определения остаточных напряжений в пазах дисков турбины. Полученные зависимости удовлетворительно согласуются с результатами расчета остаточных напряжения на основе технической теории изгиба брусьев. Однако остаточные напряжения определялись лишь в цилиндрической части впадины паза, но не в криволинейной части, являющейся наиболее опасной областью паза диска.
Далее рассмотрим расчетные методы определения остаточных напряжений, посвященные изучению распределения остаточных напряжений в деталях с концентраторами.
15
В статье /14/ изложен метод расчета остаточных напряжений в деталях сложной формы. Он основывается на теореме Г. Генки о разгрузке /35/ и использует метод конечных элементов. В качестве примера рассмотрены остаточные напряжения в цилиндрическом образце с круговым надрезом после осевого нагружения за предел текучести и разгрузки. Результаты расчета удовлетворительно соответствуют данным экспериментального определения остаточных напряжений на подобных образцах, осуществленного методом, изложенным в /13/. Приведенная методика позволяет исследовать остаточные напряжения в деталях, подвергнутых силовому и температурному воздействию. Остаточные напряжения после поверхностного упрочнения этим методом определить нельзя.
В работе /229/ задача определения остаточных напряжений сведена к связанной краевой задаче термоупругопластичности. Авторы рассмотрели алгоритмы решения связанных задач применительно к процессам обработки металлов давлением (прокатка, волочение). В основу алгоритмов расчета положен метод конечных элементов. Рассмотрен вывод основных разрешающих уравнений метода для задач термоупругопластичности. Обсуждаются методы линеаризации определяющих соотношений теории пластичности. Предлагаемый подход применен для определения оптимальных режимов в реальных технологических процессах производства сложных профилей. Однако в работе практически нет данных по измерению остаточных напряжений, в то время как они необходимы для оценки точности приведенных методик.
В статье /146/ исследуется формирование остаточных напряжений в зоне, концентраторов при термопластическом упрочнении, рассмотрено их влияние на сопротивление усталости деталей. Для оценки напряжений, возникающих при охлаждении поверхностного слоя, проведен анализ поля напряжений деталей с концентратора ми методом конечных элементов. Однако в работе отсутствуют данные об экспериментальном подтверждении результатов расчета остаточных напряжений.
В статье /145/ описан расчет остаточных напряжений в замковой части
16
диска турбины ГТД после термопластического упрочнения. Приведенная методика разработана для отладки технологии термопластического упрочнения и контроля качества упрочнения в производстве. Отмечается существенное различие уровней остаточных напряжений в образцах и имитаторах елочного замка, а также существенное перераспределение напряжений при подготовке образца для экспериментального определения остаточных напряжений методом удаления поверхностных слоев.
В работе /308/ аналитическим способом по первоначальным деформациям решена задача образования остаточных напряжений в цилиндрической детали с круговым надрезом полуэллиптического профиля, Для концентраторов другой формы решение не приемлемо.
В статье /221/, по-видимому, впервые сделана попытка получить картину распределения остаточных напряжений в резьбе болтов при различных вариантах деформирования поверхностных слоев. Задача решена для случая плоского напряженного состояния. Результаты расчета остаточных напряжений, полученные методом конечных элементов по изотропным первоначальным деформациям, достаточно хорошо согласуются с результатами измерения микро твердости /224/.
Автор статьи /338/ рассмотрел задачу расчета остаточных напряжений в балках прямоугольного сечения конечной длины. Расчет проводился методом конечных элементов по изотропным первоначальным деформациям. Результаты расчета позволили выявить влияние краевого эффекта на уровень напряжений в среднем сечении детали, определить зону действия краевых эффектов.
Наиболее корректным и точным методом определения остаточных напряжений является метод, предложенный в работе /211/. Основан он на измерении перемещений образца, вызванное нарушением равновесия после послойного удаления материала с половины цилиндрической части поверхности концентратора. При этом МКЭ решалась соответствующая задача теории упругости.
Основными недостатками всех существующих методов определения
17
остаточных напряжений является отсутствие научно-обоснованных математических моделей процессов образования остаточных напряжений.
В тоже время существующие математические модели образования остаточных напряжений при различных технологических обработках /2/ хотя и дают корректные количественные результаты, но в узких рамках какого либо технологического процесса, не имея достаточной научной обоснованности в общем случае.
18
1.2. Прогнозирование и ускоренное определение предела выносливости деталей.
Возникновение остаточных напряжений в процессе как статического, так и циклического нагружения, отмечалось еще на ранних стадиях изучения неравномерных пластических деформаций в условиях неоднородного нагружения (например, при изгибе или кручении), либо в условиях концентрации напряжений. Так в работах /52, 53, 54, 56, 241/ в качестве способа наведения остаточных напряжений рассматривается обтяжка образцов с концентраторами растягивающей нагрузкой. В качестве объекта исследования в этих работах использовались образцы прямоугольного поперечного сечения с центральным отверстием, изготовленные из сплава Д16АТ. Теоретический коэффициент концентрации напряжений образцов - 2,78. Образцы подвергались действию растягивающей нагрузки от 0,5 до 0,7 разрушающей нагрузки, что соответствует с учетом концентрации упругим напряжениям на поверхности дна надреза от 1,54 до 2,16 предела текучести материала, т.е. использовалась нагрузка с значительным превышением предела текучести на контуре концентратора, влияние более низких значений нагрузок на распределение остаточных напряжений не исследовалось. Остаточные напряжения определялись экспериментально по методу освобождения, причем деформации вырезаемых полосок фиксировались с помощью реперных точек, нанесенных микротвердомером ПМТ-3 с шагом 1 мм. Расстояние между реперными точками замерялось на микроскопе МММ-7. При этом 1Ю исследовалось влияние начального уровня остаточных напряжений, обусловленных технологией изготовления образцов (в рассматриваемых работах, по крайней мере, не оговаривалась соответствующая подготовка образцов, исключающая наличие начального уровня остаточных напряжений). К недостаткам данных исследований следует также отнести существенную погрешность определения остаточных напряжений (± 20 МПа) и усредненность по толщине поверхностного слоя определяемых величин, что снижает точность эксперимента в случае высокой
19
концентрации напряжений. Экспериментальные исследования не были подкреплены разработкой теоретической модели происходящих в поверхностном слое процессов.
В работе /14/ была предпринята попытка создать расчетную математическую модель процессов, происходящих в поверхностных слоях при осевом нагружении цилиндрических образцов с кольцевыми надрезами V-образного профиля, основанную на численном решении задачи теории пластичности с использованием метода конечных элементов. К недостаткам исследования следует отнести отсутствие учета аномальности механических характеристик ослабленного поверхностного слоя, т.к. предел текучести принимался одинаковым по всей расчетной области образца, поэтому с позиций предложенной модели невозможно объяснить образование остаточных напряжений в поверхностном слое при напряжениях, меньших макроскопического предела текучести материала. Кроме того, не учитывалось различие в значениях пределов текучести на растяжение и сжатие. Учет эффекта Баушингера не был обоснован, т.к. подавляющая часть изменений, вызванных этим эффектом, связана с образованием остаточных напряжений в поверхностном слое /272/. Наличие постоянного во всем объеме тела предела текучести предопределило достаточно высокий уровень внешних нагрузок для наведения остаточных напряжений. Экспериментальное исследование остаточных напряжений в данной работе проводилось в районе кольцевого надреза в осевом стержневом элементе, вырезанном из цилиндрического образца, предварительно подвергнутого осевому сжатию. Разброс результатов измерения остаточных напряжений в работе /14/ достигал 35 МПа, что указывает на низкую точность экспериментальных данных работы. В то же время опытные значения остаточных напряжений были получены существенно меньше соответствующих расчетных, что невозможно объяснить с позиций предложенной модели. Несмотря на недостатки, в работе /14/ предпринята, очевидно, одна из первых попыток моделирования процессов формирования остаточных напряжений в поверхностных слоях деталей под действием однократно статической осевой
20
нагрузки.
В работах /60, 61/ исследовалось наведение остаточных напряжений в образцах прямоугольного поперечного сечения с гладкой рабочей частью, подвергнутых однократно статическому растяжению. Исследования проводились экспериментальными методами при нагрузках как выше, так и значительно ниже предела текучести. Остаточные напряжения определялись методом H.H. Давиденкова измерением оптиметром прогибов образца, вызванных последовательным удалением слоев материала химическим травлением. В результате расчетов по известным формулам были получены остаточные напряжения, которые имели довольно низкий уровень. Образцы перед испытаниями подвергались химической обработке с целью удаления поверхностного слоя с остаточными напряжениями, наведенными при изготовлении. К достоинствам этих работ можно отнести достаточно высокую чистоту проведения эксперимента, позволившего получать результаты даже при низких внешних нагрузках, а к недостаткам - низкую точность определения остаточных напряжений, связанную с недостаточно отработанной техникой измерения деформаций и неучетом в расчетно-экспериментальной модели влияния фронта Людерса, который при малых упругопластических деформациях значительно уменьшает область их распространения по длине рабочей части образца. Кроме того, не рассматривалась возможность создания теоретической модели процессов, происходящих в поверхностных слоях, хотя и указывается на ослабленность этих слоев как причину возникновения остаточных напряжений при достаточно малых деформациях.
Аналогичные исследования были проведены для случая изгиба /58/ и центрального растяжения-сжатия /84/ с использованием рентгенографического метода исследования.
В большинстве работ /31, 52-56, 79, 155, 208, 209, 278, 289, 293/, посвященных влиянию циклической нагрузки на остаточное напряженно-деформированное состояние поверхностных слоев деталей, изучаются вопросы низкотемпературной релаксации остаточных напряжений, наведенных
21
упрочняющей обработкой. И как частный случай рассматривается вариант, когда отсутствует начальное поле остаточных напряжений. Это указывает на недостаточность внимания, уделяемого изучению формирования остаточных напряжений в деталях при действии циклических нагрузок.
В работах /79, 154, 289-292/ исследовались остаточные напряжения в деталях с концентраторами, наведенные циклической нагрузкой, изменяющейся по отнулевому циклу. Знак внешней нагрузки определял знак соответствующих остаточных напряжений. Было установлено, что остаточные напряжения, в основном, формируются, в течение первых циклов нагружения и их уровень возрастает с увеличением номинальных напряжений, причем каких-либо ограничений не было отмечено. Обращалось внимание на зависимость интенсивности процесса формирования остаточных напряжений и их величины от степени концентрации. При исследованиях применялся неразрушающий ультразвуковой метод измерения остаточных напряжений, позволяющий многократно использовать один и тот же образец для выявления зависимости уровня остаточных напряжений от количества циклов нагружения. К недостаткам данного исследования следует отнести' низкую точность измерения и осредненность по толщине поверхностного слоя остаточных напряжений. Кроме того, в указанных работах не оговаривается предварительная подготовка образцов, требующая исключения влияния на результаты исследования начального уровня остаточных напряжений. Отсутствуют попытки теоретического описания происходящих в образцах процессов, не рассматривается симметричный цикл нагружения. Несмотря на отмеченные недостатки, в работах /79, 154, 289-292/ выявлены некоторые закономерности формирования
остаточных напряжений в образцах под действием внешней нагрузки, изменяющейся по отнулевому циклу.
Авторами работы /155/ было проведено изучение влияния на предел выносливости тренировки образцов с надрезами циклически изменяющейся внешней нагрузкой. Было установлено, что при амплитуде усилия тренировки, соответствующей пределу выносливости цилиндрических образцов с кольцевыми
22
надрезами, наблюдается существенное повышение (на 22%) предела выносливости этих образцов, выявленное в дальнейшем испытаниями на усталость. В связи с тем, что причиной увеличения предела выносливости после циклического нагружения являются сжимающие остаточные напряжения, то увеличение предела выносливости на 22% после тренировки, установленное в работе /155/, указывает на достаточно высокий их уровень. Однако, проведенное исследование /155/ позволяет лишь косвенно судить о величине остаточных напряжений, наведенных циклическим нагружением. В работе отсутствует какое либо теоретическое обоснование полученных экспериментальных данных.
В работе /57/ исследовано влияние циклической знакопеременной перегрузки при испытаниях самолетных конструкций на долговечность. В работе было установлено положительное влияние на долговечность редких растягивающих циклов перенапряжения и обратное влияние редких сжимающих циклов перегрузки. Кроме того, по результатам исследования можно косвенно заключить о циклическом изменении соответствующих растягивающих и сжимающих остаточных напряжений.
Одной из проблем, рассмотренной в диссертации, является обоснование отличия эффективного коэффициента концентрации напряжений ка от теоретического «о с позиций механики остаточных напряжений.
В работах /141, 226, 252, 282/ и многих других установлено значительное различие величин теоретического и эффективного коэффициентов концентрации напряжений для деталей, имеющих концентраторы в виде выточек, надрезов, отверстий. Отмечается существенное снижение ка по сравнению с а* для пластичных сталей. Это отличие в большинстве случаев оценивается с помощью коэффициента чувствительности к концентрации напряжений, хотя, как указывается в работе /252/, эта оценка имеет ограниченную достоверность.
В работе /141/ различие теоретического и эффективного коэффициентов концентрации напряжений объясняется с позиций статистической теории подобия усталостного разрушения, которая достаточно точно описывает совместное влияние масштабного фактора и степени концентрации напряжений на предел
23
выносливости деталей. Однако эта теория не объясняет влияние пластичности материала на различие этих коэффициентов, которое учитывается с помощью эмпирического коэффициента.
В работах /201, 252, 333/ предлагается зависимость при вычислении коэффициента ка, введенная Г. Нейбером для остроугольных выточек. Эта зависимость учитывает осредненные напряжения у дна выточки на весьма малом, но конечном участке, соответствующем некоторой частичке материала. Однако предложенная зависимость и аналогичные ей недостаточно научно обоснованны и не учитывают механические характеристики материала.
В работах /138, 199/ рассматривается влияние конструктивных факторов на коэффициент с использованием достаточно широкого экспериментального материала, не подкрепленного, однако, теоретическим обоснованием.
в работе /205/ установлено наличие критического радиуса надреза, уменьшение которого ниже этого значения не приводит к уменьшению предела выносливости образца, т.е. коэффициент к„ остается постоянным при увеличении соответствующего коэффициента ап. Это явление авторами связывается с наблюдаемыми у образцов с резкими концентраторами напряжений нераспространяющихся трещин усталости.
Обоснование отличия коэффициентов К, и а« тесно связано с проблемой прогнозирования предела выносливости деталей машин, первоначально свободных от остаточных напряжений. Это прогнозирование основано на известных методах ускоренного определения предела выносливости, обусловленных различными расчетно-экспериментальными оценками и гипотезами накопления усталостного повреждения в материалах.
В работах /85, 90, 97, 119, 152, 256-258, 261, 264, 265, 280, 285, 288, 311/ приводится подробная классификация и сравнительный анализ методов ускоренной оценки характеристик сопротивления усталости. Они разделены на четыре группы /280/. К первой группе относятся методы, требующие проведения испытаний при циклическом нагружении без доведения образцов до разрушения. В качестве характеристики накопления усталостного повреждения используются
24
различные физические явления, происходящие в металлах в процессе испытания, в том числе изменение микротвердости /143/, локальное или усредненное искажение кристаллической решетки металла, измеряемое рентгенографическим методом /342/, изменение характеристик магнитного сопротивления, магнитного гистерезиса или вихревых токов /80, 129/, изменение рельефа поверхности, обнаруживаемое голографическими методами /330/, изменение циклического предела упругости /279, 280/ и многие другие. Методы первой группы могут быть использованы, в основном, лишь при оценке предела выносливости гладких образцов для контроля качества металла при его массовом производстве и потреблении.
Ко второй группе относятся методы, требующие проведения испытаний в условиях стационарно циклического нагружения с доведением образцов до разрушения при малой долговечности. В этой группе следует различать методы, которые основываются на формальном использовании известных эмпирических уравнений кривых усталости, а также методы, которые позволяют определить предел выносливости по начальному участку кривой усталости на основе физически обоснованных моделей усталостного разрушения. Примером первого подхода является анализ уравнения кривой усталости в виде /236/
{а-а *)ЛГ =С„
где о - разрушающее напряжение, соответствующее числу циклов N, gr -предел выносливости материала, гпз и Сз- коэффициенты.
К методам, основанным на конкретных физических гипотезах, могут быть отнесены методы B.C. Ивановой /118/, Л.В. Муратова /195/, В.Т. Трощенко /281/.
Согласно B.C. Ивановой /118/, энергия, затраченная на процесс разрушения, остается постоянной при любых напряжениях симметричного цикла, превышающих предел выносливости, и равна скрытой теплоте плавления металла. Для определения предела выносливости по этому методу на усталость испытывают не менее трех образцов и по полученным результатам строят в координатах а - IgN отрезок левой ветви кривой усталости, на которой находят точку с абсциссой, соответствующей числу циклов Nr и ординатой,
25
соответствующей напряжению ак.
Величину Мк определяют как критическое число циклов, достижение которого при напряжениях ак приводит к возникновению необратимых искажений кристаллической решетки и субмикроскопических трещин. Оказалось, что Мк для разных классов материалов является константой: ^=2,0*105 циклов для железа и его сплавов; ^ =3,3*104 циклов; для меди и ее сплавов; N4 =3,0*104 циклов для алюминия и его сплавов. Предел выносливости вычисляют по формуле
а _1 = ст к -2 а ,
Г., = т к - 2а , '
где а = 31 МПа для железа и его сплавов и а = 35 МПа для меди, алюминия и сплавов на их основе. Полученное значение предела выносливости можно уточнить, проведя испытания двух-трех образцов. Метод может быть применен главным образом для испытания образцов с низким уровнем концентрации напряжений.
Согласно Л.В. Муратову /195/, рассеянная за цикл энергия связана с упрочнением материала; ее произведение на число циклов до разрушения дает суммарную рассеянную энергию. На основе этих предположений найдено уравнение кривой усталости. Экспериментальная проверка метода Л.В. Муратова недостаточна.
Методы второй группы трудоемки, поскольку они требуют испытаний на усталость достаточно большого числа образцов. Преимуществом этих методов является возможность учета влияния на предел выносливости конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов. Однако следует отметить, что в условиях значительной концентрации напряжений эффективность этих методов падает.
К третьей группе относятся методы, использующие эффект повышения частоты испытаний. Это позволяет быстро построить кривые усталости. Затруднения, которые возникают при использовании этих методов, связаны, прежде всего, с весьма интенсивным выделением тепла в материале вследствие
26
гистерезисных потерь. В этих условиях сложно поддерживать заданную температуру образца при различных уровнях циклических напряжений. Влияние скорости приложения нагрузки на предел выносливости изучено недостаточно, что затрудняет сопоставление кривых усталости при низких и высоких частотах. Поэтому основная область использования ускоренных методов определения предела выносливости металлов путем повышения частоты нагружения -получение данных для весьма больших баз испытаний (109 циклов и более), что другими методами осуществить пока невозможно.
Четвертая группа методов ускоренного определения предела выносливости основывается на результатах испытаний образцов при программном изменении нагрузки. Наиболее широкую известность получили методы Про /337/, Эномото /324/ и Локати /328/. На основе метода Л окати разработан ГОСТ 19533-74 "Надежность изделий машиностроения. Ускоренная оценка пределов выносливости методом ступенчатого нагружения (Локати).
Согласно методу Про между пределом выносливости и разрушающим напряжением при заданной скорости его увеличения а существует зависимость
а_]=а-Аап,
где А и п- эмпирические коэффициенты. Про принимал п = 0,5, однако эксперименты показали, что этот коэффициент изменяется в интервале 0,3-0,7. Метод Про дает завышенные значения предела выносливости (до 20%). Затруднения при его реализации состоят в необходимости иметь оборудование, позволяющее непрерывно увеличивать амплитуду напряжений с постоянной скоростью. Этот метод не имеет существенной экономии в количестве образцов. Но экономия времени испытаний может достигать 50-60%. Метод Эномото /324/ является частным случаем метода Про.
Метод Локати /328/ основан на линейной гипотезе суммирования повреждений Польмгрена - Майнера /331, 336/, в соответствии с которой условие разрушения при ступенчатом программном изменении нагрузки на образец при его испытании на усталость записывается в виде
где П| - число циклов наработки за время испытаний при напряжении су\, N. -число циклов до разрушения при напряжении а,-, к - число уровней ступенчатого нагружения. Основной недостаток этой гипотезы состоит в том, что она не учитывает историю нагружения и последовательность чередования ступеней нагружения. Метод Покати позволяет экономить время испытания примерно в 30 раз. Точность оценки предела выносливости по этому методу зависит в первую очередь от соответствия процесса накопления усталостного повреждения принятой гипотезе. Различные факторы, вызывающие отклонения от линейной гипотезы, приводят и к несоответствию данных, полученных по методу Покати, экспериментальным данным.
Недостатком большинства рассмотренных методов является формальный подход к решаемой задаче, что не позволяет четко разграничить области применения тех или иных методов и в ряде случаев приводит к несоответствию расчетных и экспериментальных данных.
Отдельно в этом ряду методов ускоренного определения предела выносливости стоят методы, которые не требуют испытаний на усталость. К ним относится метод, предложенный в работе /284/. В основу метода положены исследования аномальных механических характеристик ослабленного поверхностного слоя. Были получены экспериментальные данные о величине и распределении предела текучести по толщине ослабленного поверхностного слоя. Используя эти данные, на основе зависимостей механики разрушения разработана методика определения предела выносливости без проведения испытаний на усталость. При этом предполагалось, что циклические упругопластические деформации не распространяются на глубину, превышающую размер нераспространяющейся трещины усталости. К недостаткам этой работы следует отнести отсутствие данных о различии пределов текучести на растяжение и сжатие ослабленного поверхностного слоя, а также недостаточную обоснованность отсутствия упругопластических деформаций на дне
28
нераспространяющейся трещины усталости.
29
1.3. Влияние технологических остаточных напряжений на сопротивление усталости и методики численного учета этого влияния.
После обработки деталей методами поверхностного упрочнения наблюдается значительное повышение сопротивления усталости деталей. Это повышение логично связать с изменениями на поверхности и в поверхностном слое деталей - остаточными напряжениями, наклепом, изменением структуры, шероховатостью.
Противоречивые данные о влиянии наклепа на сопротивление усталости /18, 59, 125, 128, 139, 148, 245, 262/ обусловлены тем, что подавляющее большинство исследований проведено на образцах, которые имели не только наклеп, но и остаточные напряжения либо за счет неполного снятия остаточных напряжений при рассверливании образцов, либо за счет механической обработки наклепанных заготовок, либо за счет изгиба при растяжении или неравномерной пластической деформации при кручении после окончательной механической обработки. В работах /59, 108, 139, 245, 262/ показано, что наклеп без остаточных напряжений при нормальной температуре не влияет на сопротивление многоцикловой усталости. Связь между изменением структуры материала после поверхностного упрочнения и сопротивлением усталости специально не изучалась, однако следует заметить, что ее влияние учитывается косвенно через остаточные напряжения.
Влияние шероховатости рассматривалось в работах /12, 21, 23, 24/. Проблеме влияния остаточных напряжений на сопротивление усталости деталей посвящена обширная литература. Результаты исследований /4, 21, 25, 36, 37, 45, 49, 54, 68, 267, 273, 294, 304, 341/ показывают, что роль остаточных напряжений при переменных нагрузках наиболее значительна в условиях концентрации напряжений. Если для гладких деталей повышение предела выносливости составляет 20-40%, то для деталей с концентраторами оно достигает 300%. Столь высокое увеличение объясняется концентрацией благоприятных остаточных
30
напряжений сжатия около надрезов, галтелей, впадин резьбы и других нарушений призматической формы детали.
Сжимающие остаточные напряжения увеличивают сопротивление усталости при изгибе, растяжении-сжатии, кручении /49, 166/. Сопоставление влияния поверхностного упрочнения на усталость при кручении и изгибе /166/ показало, что как для гладких, так и для надрезанных образцов упрочнение при кручении менее эффективно.
В работах /92, 93, 142, 162, 196, 200, 303/ указывается на положительную роль поверхностного упрочнения для деталей, работающих при повышенных температурах. Так в работе /162/ установлено, что ППД повышает предел выносливости хвостовиков лопаток турбины из сплава ЖС6У на 20%, а в статье /1421 показано, что после упрочнения микрошариками лопаток турбины из сплава ЖС6КП предел выносливости при температуре 800сС увеличился с 328 до 368 МПа. В работах /21, 22, 267, 268/ отмечается, что при повышенных температурах существует оптимальная степень наклепа поверхностного слоя детали, выше которой поверхностное упрочнение может привести к обратному эффекту.
Положительная роль различных видов поверхностного упрочнения сказывается и для деталей, работающих в малоцикловой области, на что указывается в работах /71, 86, 136, 142, 158, 161/.
Далее обратимся к тем работам, в которых делались попытки установить количественную связь между величиной остаточных напряжений и приращением предела выносливости. Обычно для этого используют формулу работы /252/, предложенную для учета влияния средних напряжений цикла на предельную амплитуду при изгибе
o-7=ff0r-?'A».
где ст7 - предел выносливости упрочненной детали, - предел
выносливости не упрочненной детали, - коэффициент влияния остаточных напряжений на предел выносливости.
В работе /190/ исследовалось влияние остаточных напряжений, возникающих после алмазного выглаживания, на предел выносливости гладких
31
образцов из ЭИ437Б. Установлено, что коэффициент влияния остаточных напряжений, в зависимости от режимов обработки, изменяется в широких пределах - от 0,1 до 0,3. Аналогичные результаты получены в работе /147/.
В работе /244/ испытывались гладкие и надрезанные образцы из сталей 40Х и 20ХНМ. Остаточные напряжения создавались обдувкой дробью, коэффициент - у/а -0,14. По этой работе следует сделать замечания. Остаточные напряжения вычислялись по формуле, справедливой для широкого кольца, в то время как исследовалось узкое кольцо. В связи с этим вычисленные в работе остаточные напряжения необходимо увеличить в 1+ц раз, то есть вместо коэффициента 0,14 должно быть 0,11. Нельзя также считать, что остаточные напряжения на дне надреза равны остаточным напряжениям гладкого образца. Они будут одинаковы только при малой, сравнительно с радиусом надреза, толщине слоя со сжимающими остаточными напряжениями, образовавшимися после упрочнения.
В статье /294/ при исследовании влияния остаточных напряжений на предел выносливости применительно к впадинам зубьев цементованных шестерен коэффициент ^=0,182 в широком диапазоне изменения сжимающих остаточных напряжений на поверхности впадин - от 200 до 1600 МПа.
В работе /248/ при вычислении предела выносливости гладкого образца с изменяющимися в процессе испытаний остаточными напряжениями получено значение у/а 0,15.
Влиянию остаточных напряжений на приращение предела выносливости посвящена статья /108/, в которой описаны результаты испытаний упрочненных дробью образцов из сталей 45, ЭИ961 и сплавов ЭИ437, В93 диаметром 10 мм с надрезами полукруглого и полуэллиптического профиля. Было установлено, что в среднем для всех рассмотренных случаев ^=0,175. Используя аналогичный подход, авторы работы /191/ получили 0,23 при испытаниях образцов из сплава ВТ9 с надрезом полукруглого профиля.
По данным работы /228/ коэффициент, аналогичный у/в, изменяется для сталей различной твердости от 0,13 (НУ 240) до 0,69 (НУ 780), а в статье /339/ для
32
образцов диаметром 36 мм получен коэффициент ^=0,33.
Автор работы /262/ предлагает определять предел выносливости гладких упрочненных образцов по формуле
где а_1Н - предел выносливости полированного не упрочненного образца, у/ - опытный коэффициент. Для материалов АК4-1 и ВД17 получено значение у/ -0,25. По-видимому, формула выведена в предположении, что сумма остаточных и рабочих напряжений в процессе испытаний упрочненных образцов равна пределу прочности ав. На основании этого предложения можно определить остаточные напряжения после нагружения, не производя их измерения.
Выше рассматривались работы, в которых определялась связь между остаточными напряжениями и приращением предела выносливости в случае изгиба. В статье /109 для образцов из сталей 40, ЭИ961 и сплава В95 с круговым надрезом радиуса 0,3 мм при кручении был получен коэффициент у/т -0, 072. Данных об оценке влияния остаточных напряжений на предел выносливости деталей или образцов с концентраторами при растяжении-сжатии в литературе нет, а немногочисленные сведения, приведенные в работах /112, 113, 299/ применительно к резьбовым деталям, не позволяют даже ориентировочно дать такую оценку.
Анализ исследований, в которых содержится оценка влияния остаточных напряжений на предел выносливости упрочненных образцов и деталей показывает, что коэффициент Ц/а (у/г), учитывающий влияние остаточных напряжений на поверхности, изменяется в широких пределах - от 0,072 до 0,69 и, следовательно, неудобен для использования на практике. К тому же, рекомендации увеличивать толщину упрочненного слоя с увеличением поперечных размеров детали /3, 17, 43, 45, 153, 254, 312/ указывают на необходимость учета остаточных напряжений не только на поверхности, но и по толщине поверхностного слоя.
Анализ работ /210-221, 104-115/ показывает, что оценка влияния
33
остаточных напряжений на характеристики усталости деталей на полуэмлирическом уровне исследования достигли наибольшего совершенства. Достаточно удобные на практике формулы, учитывающие как величину остаточных напряжений, так и их распределение, позволили значительно сэкономить материально-трудовые ресурсы при прочностных расчетах. В тоже время отсутствие математической модели, описывающей процессы в поверхностном слое при эксплуатации изделия, не дает этим исследованиям дальнейшего развития в научном и практическом плане.
34
1.4. Основные положения теории ослабленного поверхностного слоя.
Поставленная задача требует построения математической модели образования остаточных напряжений при воздействии переменных напряжений, создание которой невозможно без выяснения природы проходящих при этом процессов. Попытки использования математических моделей, основанных на упругом или упругопластическом решении без учета особенностей свойств поверхностного слоя, как правило, приводят к ненадежным результатам.
Существует мнение, что природа остаточных напряжений, возникающих при действии "малых" циклических нагрузок, соответствующих многоцикловой усталости, связана с развитием процессов циклической кратковременной ползучести. Однако, опыты, проведенные С.В. Серенсеном /247/, показали, что в окрестности зоны концентрации напряжений, а именно там и образуются, в основном, остаточные напряжения, создаются условия "жесткого" нагружения с постоянной амплитудой полной деформации, что естественно исключает возможность развития процессов циклической ползучести /266/. Кроме того, частота изменения нагрузки при испытании на многоцикловую усталость, как правило, является достаточной для исключения возможности протекания кратковременной ползучести. Поэтому этот фактор при построении математической модели не рассматривался.
Другой причиной возникновения остаточных напряжений может служить только возможность пластического деформирования поверхностных слоев детали. Как показывают многочисленные опыты, остаточные напряжения уже возникают при циклических нагрузках, соответствующих пределу выносливости, т.е. при нагрузках значительно ниже макроскопического предела текучести. В этом случае необходимым условием протекания пластических деформаций должно служить наличие ослабленного поверхностного слоя. В связи с этим возникает необходимость рассмотрения поверхностного слоя как чрезвычайно физически неоднородного и учета этого факта при построении математической модели.
В работах /11, 116, 120, 243, 270-272, 276, 327, 332/ показывается, что
35
многие феномены, такие как образование площадки текучести на диаграммах растяжения, физический предел выносливости, эффект Баушингера, эффект Портевена-Лешателье, разрыв кривых усталости при переходе от малоцикловой к многоцикловой усталости и другие вызваны наличием ослабленного поверхностного слоя с аномально низкими механическими характеристиками, в частности, пределом текучести. Рассмотрим причины, обуславливающие это особое поведение поверхностных слоев. Если взять поверхностные зерна и зерна, расположенные в объеме металла, то следует отметить неравноценность их с точки зрения возможности развития пластической деформации. В поверхностных зернах пластическая деформация облегчена вследствие/33/:
> возможности выхода дислокаций на свободную поверхность;
> более низкого напряжения действия источников Франка-Рида, т. к. в поверхностных слоях источники дислокаций имеют преимущественно форму петель, закрепленных одним концом, тогда как в глубине материала источники имеют две точки закрепления;
> облегченного выхода вакансий на поверхность;
> наличие в поверхностном слое более грубой, чем в объеме материала, дислокационной сетки Франка, в связи с чем для генерирования дислокаций требуется меньшее напряжение.
Таким образом, дислокации, расположенные в поверхностных зернах, при низких напряжениях могут двигаться более свободно, чем глубинные дислокации, что обуславливает преимущественное пластическое течение поверхностных слоев металла при деформации в квазиупругой области. Было показано /11, 117/, что эффективная длина источника Франка-Рида у поверхности может быть вдвое больше длины источника внутри материала и, следовательно, поверхностные источники действуют при вдвое меньших напряжениях. Кроме того, известно (/8, 10, 11/), что гетерогенные источники (окисные пленки, микротрещины,
микрогеометрия поверхности и прочее), концентрация которых у поверхности всегда выше, чем в объеме материала, работают при гораздо меньшем уровне внешних напряжений, чем гомогенные источники, возникающие в совершенных
36
областях металла. Так, например, было показано /8/, что поверхностный источник у ступеньки роста может работать при напряжениях, равных 1/3 от теоретической прочности при комнатной температуре и 1/10 от теоретической прочности вблизи температуры плавления. Аналогичными легкодействующими гетерогенными источниками могут служить окисные пленки /8/, царапины, трещины, частицы выделений и примеси. Таким образом, поскольку поверхность, как правило, обладает большей степенью гетерогенности, чем внутренние слои материала, количество легкодействующих источников в приповерхностной области всегда больше, чем в объеме металла. Более подробно причины физической неоднородности поверхностного слоя изложены в /7, 8, 10, 11, 117, 307, 318, 327, 332/.
Рентгеноструктурный анализ показал, что при растяжении образцов из малоуглеродистой стали (0,23%С) на поверхности происходит пластическое течение, в то время как сердцевина образца находится в упругом состоянии /332/. При разгрузке образца на поверхности возникают остаточные напряжения сжатия.
Если считать, что напряжения, возникающие в поверхностном слое детали при циклическом нагружении, превышают некоторое значение - предела текучести на поверхности, то в этом случае неучет факта наличия ослабленного поверхностного слоя приводит к большим погрешностям в расчетах. Исследования многих авторов /60, 61, 83, 84, 117, 271/ показывают, что при нагрузках, равных или даже меньших предела выносливости материала, в поверхностных слоях проходят пластические деформации. Этот фактор играет основополагающую роль при построении математической модели возникновения остаточных напряжений при циклическом эксплуатационном нагружении. Исходными данными для расчетной модели должны служить такие характеристики поверхностного слоя, как толщина ослабленного слоя, величина предела текучести на поверхности, закон распределения предела текучести по толщине поверхностного слоя.
Исследования по устранению площадки текучести тренировкой сталей /243, 276/ содержат данные, позволяющие судить о толщине ослабленного слоя. Была
37
высказана гипотеза, объясняющая эффект существования площадки текучести с наличием у металла ослабленного поверхностного слоя определенной толщины. С позиций этой гипотезы влияние тренировки на исчезновение площадки текучести может быть связано с образованием пластически деформированного поверхностного слоя. Для эксперимента изготавливались по особой технологии листы высокопластичной малоуглеродистой стали однородного химического состава по всему объему металла. Опыты проводились на тренированных холодная прокатка со степенью обжатия 0,8-1,2%) и выдержанных в течение двух лет при температуре 200 образцах 30x41,5 мм, вырезанных вдоль проката. Образцы подвергались испытаниям на растяжение с целью выявления площадки текучести. Часть образцов перед этим подвергалась электролитическому травлению с целью удаления наклепанного слоя. После снятия у тренированных образцов поверхностного слоя толщиной порядка 60-100 мкм вновь наблюдалось появление площадки текучести, что позволяет приближенно судить о толщине ослабленного легко упрочняющегося слоя для данной толщины образца. Аналогичные исследования были проведены на образцах толщиной 1,0 мм, для которых толщина ослабленного слоя составила 40-60 мкм.
Подобные результаты были получены /272/ при изучении влияния поверхностного слоя на эффект Баушингера. Эффект Баушингера заключается в снижении напряжения начала течения при перемене знака нагружения по сравнению с его исходным значением. Было высказано предположение, что различие в поведении поверхностных и внутренних слоев металла под нагрузкой приводит к неравномерному распределению остаточных напряжений по сечению образца после снятия нагрузки и, как следствие, проявлению эффекта Баушингера. Естественно следовало ожидать уменьшение или исчезновение этого эффекта при удалении поверхностного слоя определенной толщины. В результате проведенных исследований было показано, что при удалении слоя толщиной 100 мкм с цилиндрических образцов диаметром 12 мм из стали 3 после 0,1% предварительной деформации эффект Баушингера снижается на 80,2%. К сожалению авторами не были рассмотрены примеры влияния удаления