Закономерности формирования остаточных напряжений в деталях с учетом действия циклических нагрузок тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

ГОСКОМИТЕТ РСФСР ПО ДЕЛАМ НАУКИ И ВЫСШЕЙ МОЛЫ Самарский ордена Трудового Крэсного Знамени политехнический институт имени В.В.Куйбышева

На правах рукописи

БОРДАКОВ СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ДЕТАЛЯХ С УЧЕТОМ ДЕЙСТВИЯ ЦИКЛИЧЕСКИХ НАГРУЗОК

Специальности: 01.02.04. - "Механика деформируемого твердого тела" и 01.02.06. - "Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры"

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Самара 1992

Работа выполнена на кафедре сопротивления материале Самарского ордена Трудового Красного Знамени авиационного институт имени С.П.Королева.

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор В.Ф.Павлов.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Б.А.Горлач, кандидат технических наук, доцент В.Г.Фокин.

Ведущее предприятие - Куйбышевское конструкторское бюро маш ностроения.

Защита диссертации состоится " 1992г. в ¡0 ч;

сов на заседании специализированного совета Д 063.16.02 Самарско: ордена Трудового Красного Знамени политехнического института име] В.В.Куйбышева по адресу: 443010, г. Самара, ул.Галактионовская 14

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарско: ордена Трудового Красного Знамени политехнического института име] В.В.Куйбышева.

Автореферат разослан " " ут^4/»?1992г.

Отзывы на автореферат, заверенные гербовой печатью организ ции, просим направлять по адресу: 443010, г. Самара, ул.Галакт оновская 141, Самарский Политехнический институт, ученому секрета; специализированного совета.

Ученый секретарь

специализированного совета ., д.т.н., профессор

/Клебанов Я.М./

оаздя улрткркстл РАБОТЫ Актуальность темы. Снижение материальных и трудовых затрат при создании и изготовления более соверненннх меоич с одновременным повышением их срока слукбы, надежности, снижением веса является ос-юзной задачей современного машиностроения, транспорта, атзиа- я ракетостроения. В свете этой задачи особое шлояенне занимает пробле-¡а сопротивления усталости, т.к. она определяет, в основном, допус-та:ый срок* безопасной службы, к в значительной степени влияет ка ви~ ор типа конструкций я материалов.

Изучению поведения конструктивных элементов, нмекшх различные онцентраторы напряжений, при знакопеременных нагрузках удаляется б зследнее время исключительно большое внимание как отечественными, зк и зарубежными исследователям. В связи с згам интенсивно разви-5лхсь такие науки, как механика разрушения и металловедение, рэс-»атривзмцие процессы, приводящие к необратим®-! изменениям деталей Инин под воздействием циклических нагрузок. При исследовании этих юцессов отмечалась л роль технологических остаточных напряжений, путствущих изготовлению деталей. Однако влиянию остаточных неимений, формирующихся' в процесса эксплуатация под воздействием клических нагрузок, на сопротивление усталости ле было уделено статочного внимания, хотя юс величина определяется интенсивностью исходящих в поверхностных слоях процессов, лгаитируодвс ДОЩ'стн-5 амплитуды циклических нагрузок.

Поэтому тема диссертации, тюсвящекная проблема установления •ономерноотей формирования остаточных напряжений в деталях с уче-I действия циклических нагрузок, является актуальной:.

диссертант. Исследование остаточных назтряеткий в цшпгад-зских деталях, фг.ркзрущихся в/процессе-циклического кагрукений охального воздействия упрочюшцэго.Енструшвта, а так?® их свяри',

с сопротивлением усталости.

к&учнм новизна. Построена математическая модель формирован; остаточных напряжет® в Цилиндрических дэт&иях под /."Пст.им.м цикл; ческой нагрузки, рззрэ<5отанн кзтодкки рясчетио -эк £льнг>:

определения мэхвничвскйх свойств ослаСшенного слоя к пчоч^ти прочла выносливости двталва.'

Практическая ииннооть, Выявлены закономерности Фчкйфоьаю остаточных напрязянкй в ослабленное поверхностном сл>в, позволив^ -установить воа\»гность прогнозирования предела клюслигюс; цилиндрических деталей; .

-оОъяснеть с позиций «яхаяикн остаютшх напряжения феном* отличая эффективного ковффздаента концентрации напряжений от твор< таческого; .

-установить влиянк* механических хара'.ггерясгкк осляб-генно! слоя и виде деформации на распределение остаточных напряжений, кг веденных при циклическом кагруггкнк, ь чэрез нкх - ез сапропеле ¡а усталости.

Реализация т»зул>>татов раАотн, Результаты диссертационной рг Оопы внедрена в расчетную практику СКБ Турбина".

АгтгюАаштя работа. Ссновныо результата работа доложены на 2 Всесоюзной научно-технической кон*»ренщш по конструкционной про-носта двигателей (г. КуССьаав, 1985 год), на Ш Есзсоезной конф рвкщгз "Физика прочности и пластаггностг ьэтаяюв п сплавов" {г Куйбышев, 1933 год), на Ш ВсвсоозваЗ научно-технической кокфереЕ цан по конструкционной прочноста деагатеяга (г. ЕуЗбьшев, ' 15? год), на областЕоЗ научш-тахш^йскоЗ конференции "ИатенсЕфгкавд ■ производства е ловнЕевпэ качэстаа лзделгй поверхностный пласпгсес кяу деформированием" (г. Тольятти, Т939 г.), Еа XIII Всесоюзной т учно-технзг?еско2 конф&ренциг по хоясгрукциошй прочности декгатс

ей f г. Самара, 1991 год), на Всесоюзной научно-технической конфо-энцяи "Остчгочные напряжения - резерв прочности з машиностроении" г. Ростов на Лону, 1991 год).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 статей, в тени-га доклада на Всесоюзных научно-технических конференциях. Получено авторских свидетельства яа изобретение Jä 757912 от 23.07.36 и А ;82054 от 01.С4.?0.

г„-:-гf-м г.^лртк. Диссертация состоит из введения, Б разделов и ? ■илолений. Содеряит 26S страниц мзпдатоггасного текста, включая 1 рисунков, 25 табоиц и библиогргфию из 277 наименований.

С0Я2РЗАНИ2 ДИССЕРТАЦИЙ 2с, введении обоснована актуальность рассматриваемой проблем и лозены цели работа.

Первая раздел посвящен обзору литературы по теме диссертации и зтановк*4 задач исследования, выполненного на основами Коораина-жного плана научно-исследовательских работ АК СССР на I986-JS30 ч его решению научно-технической проблемы "Механика деформируемо-твэрдого тела" (ni'Qp I.I0.2).

Анализ работ МЦ-.Еиргвра,. С.И.Иванова, И.Е.Кудрязцвва, ..Кравченко, В.Ф.Пзвлова, Д.Д.Папшева, U.U.Степнова, М.Л.Туровс-о, Н.А.Вшнякоза, О.И.Гущ, В.И.?руфякова,Г.Закса. М.Дйеймса, М. " та, Н.Скаллк, ЗЕ-Флавеко, О.Бохркцгара и других отечественных и убзтньх азтороБ, посвященных исследовании остаточках напряжений эталях я их вляяннгэ ка еопро-ггззлени» усталости, показал, что тз--гичеекие разработки го проблема остаточных напряжений, особенно иучае их наведения в процессе циклического нагрукегая, гола аце им от завершения. Не существует достоверной модели формирования ночных напряжений в поверхиосгнсм ело© детачьй.прк- циклическом |ужэнчи- Отсутсгрукт соштки учета остаточных надряаенкй,- . наве- '

данных при циклическом нагруквшш деталей, в расчетах не усталост Нет достаточно обоснованного объяснения феномэнв отличия э$фгя?и ного ко:<о;яциента концентрация напряжений от теоретического. О сугствуот методики прогнозирования предела выносливости л-тале первоначально свободах от остаточншс напряжений, на ссниве прин1-поь механики остаточных нзпрякекиЗ. Суцегтвунвие методикй определ ния механических характеристик поверлюсткого слоя к-? отвечают ;

ДЯИНЫМ требованиям ТОЧНОСТИ И Н" позволяет ХОЛИЧбСГВеШЮ различие пределов токучестк на раст.тжешге я сжатее ослабленного г ьерхностного слоя.

В связи с этим в диссертаций поставлена следуши* задачи:

1. Бостроить математическую модель формирования остаточ; »ппряхонкй в поверхностно« слое цилиндрических деталей гри цкк. песком нзгрукекш.

2. Внявпт® яаконо'.'.ерноста формирования остаточных напрягаю: деталях при однократно статическом, стационарно циклическом наг зкениях к б процессе разгрукенкя после испытаний нэ усталость.

3. разработать расчетао-эксперим^ктальну» кетодиху определи механических характеристик ослабленного поверхностного слоя, о-: вашу« на закономерностях формирования остаточных напряжений однократно стагичаскоч «агру»-*кки.

4. Изучить ряняняэ плйст>г£пости материала на рзспредзл: пределов текучести на растякениз к сжатие ослабленного аоверхнс кого слоя. _

5. Изучить влияние механических харакгерясжс ослабленного верхкоетного слоя и шшстйчностз материала, различных видов дв( мацяк, схе стеки коикнтра'<д^ калрттонй! на величину г раслредел остг; точных напряжений по тоязяве' поверхностного слоя, Фор"&!ругг, а процессе воздействия цакля<к-ских нагрузок.

6. Проиллюстрировать отроккв возможности построенной математической модели исследованием распределения оствгочннх напряжений п зоне лекального воздействия упрочнявшего инструмента.

7. Разработать методику расчета предела выносливости цилиняри-зеских даталей с учетом концентрация напряжений, обосновать различие с^Кяктмвного и теоретического коэффициентов концентрации напряжений.

Во ртотюм разделе построена математическая модель формирорлния эстаточшх напряжений в поверхностном слое деталей, приведен« р^з-ззботзнныз и используемые методики к установки для определения остаточных напряжений, проведения статических испытаний и испытаний [а усталость цилиндрических образцов. Установлено, что причдюй ¡озкикновения остаточных напряжений в деталях при действии цяклк-:еской нагрузки о амплитудой, равной пределу выносливости, яеляются ■дастическае деформации, проходящие в ослабленном поверхностном ■лое. -Эта модель основывается на решении соответствующей задачи те-рии пластичности с учетом принятых я обоснованных в диссертации япотез:

- теории пластичности деформируемого твердого тела применимы ля описания деформирования ослабленного поверхностного слоя;

- справедлива теория малых упруто-пластаческих деформаций .А'. Ильюшина;

- механические характеристики лзмзняягся лишь по толщине ос-эблеиного поверхностного слоя;

- предел« текучести на растяжение и скатив ослабленного покер-зостного слоя различил. ' '

Б качестве теоретической основы построенной модели была ваята гория пластического течения,, как наиболее точно шисчгаагадя шгас-гсеские деформации реальных материаловВ разделе . приводятся ос-

Н0БНЫ6 ПОЛСШНИЯ ЬТОЙ теории применительно К поставленной задач! Длй описания кривой деформировання ыспользуешх в диссертации м теривлов била принята зависимость

О*

£ «• - , Е

где с* - упругая составляющая ^книвапактной деформации, е* - плэ< тичаокея составлявшая &ккивал«нтной деформации, Е-модуль глпзольш упругости, о* - эквивалентное напрязйкие, ст - предел текучести, 1 с - постоянные нятмришгэ.

При построении ыат^ыатаческой в качестве циклическс

диаграммы дефзршровяния в диссертации кстльзо&злась обоб-щзннг циклическся диаграмма деформирована:?, веденная группой отечестве! них авторов для оааышнс/вэ конструкционна статей 5«к> - о^-*'1 . (-1)* 5(*-\

ё<*> -г«*-1) ч (-о* *1к>,

ТХе О - I Ё • - ОТВОСВТвЛЪЕНй КООрДйНВта ,5 - ? -ОбОбОЙКЙЬ

<-т Су

координаты в случае к-ю цикла ватрухзчпя. Пр; рассмотрение о$ос, ценной домрами деформирования в дассэртации обоснована врнвоиер кость неучета аффекта Бьушакгерз.

3 качестве метсмп рэзена^ яосгввдешюа задачи исполъзовачс шроко а проб ;шо в аккый, эффективный датод кэнйчшх ?л-?\:?нтоь. Бес четнед область цалаздрйчвсксй двгалз (ряс. I) ргзсйз&язсь на тре угольные трехуаюьке кокэчныв з<пекооЧЕ&. Гесме-фическзе граничны условия включала б с?Ся закротзви» границы АВ.(рис. I) в осевок границы АР в радиальном ££правл&кр<с. Салоэяе гргннчнке условия къ менялись в зависимости от вида ясслвдуекой хростой деформация н основе чесяойногс Бкспершенга I

-в случае раетяшзяг-сватш? нагрузка ЕгтвЕсяатосгьв 5^=сопз

•■0/2

Рис. I. Расчетная область цилиндрической детали с надрезом

прикладаваласъ на границе Ш,

-в случае чистого изгиба нагрузка интенсивностью q;r=?aг, изменяющаяся по линейному закону, прикладывалась на границе ЕМ. Обоснованность возмокнсстн моделирования чистого изгиба подобным обрезай была подтверждена расчетами теоретического коэффициента концентрации напряжений для мелкого надреза - отличие ш сравнении с точным решением Г.Нейбера находилось в пределах точности метода конечных элементов.

Поставленная задача при формализации в приращениях с точки зрения метода конечных элементов равносильна решений сист&?,к линей-зых уравнений

ГЕ] {<Ю> = {аРз} , £ 3 ]

Здесь [К] - глобальная матрица жесткости ансамбля конечных' алеиен-гав, С<151 - вектор прирацвнкй узловых. вврэмвгяакй, ГсЗР > - вектор

приращений внеанеД нагрузки. При нахогдеюш реаенид задачи ка к а: дом цикле нагрунения применялся пошаговый принцип решения, пред» женный Ямада,

Остаточные напряжения определялись в момент, когда ен<?шн.< нагрузка на каждой цикле кагрукения приткала нулевое значение, случае стационарно циклического нагружёния акплитуяа нагрузки с цикля к циклу остается постоянной, в случае нестационарного (зат;, хмгуго) - нагрузка от щкпа к циклу уменьшается с некоторая зэрг нее задаваема« градиентом, (.'одешргванне физической неоднородное! ослабленного покерхюснога слоя осуществлось введением для к&здо! слоя конечных элементов соответствующего предела текучести.

На'основе вьгаеогтасанной математической модели формирования ос тяточных нш1ряжекиЯ разработан блок программ, осуществляйся. расче те ка 38Н типа ЕС-ГСМ5, ЕС-1061. Точность расчета напряжение деформированного состояния достигалась оптюизиронаниек количестй степеней свободы конечно-элементно® идеализации и всесторонним тес тированием с мегшьзозаниеы извесгннх как упругих, так и упруго пластических, решений.

Построенная математическая модель использовалась такхе для ис следования закономерностей распределения остаточных напряжений цилиндрических деталях после локального упрочнения поверхности, зтем случае в качестве правой части Сравнения (3> рассматривало вектор нагрузки, формирущейся с учетом существования изотропно первоначельней деформаций «0 в зоне локального , упрочнения поверх нос гл. - . ^

Проведен;» статических исштышй.п кечнташй? на усталость осу цчствлдлосъ с лешцьв зехватсв, защищенных -авторскими свидетельствами. Зкеаериийк'гапьнве результата подвергались статгстаческой об' работка о .отсеиванием. грубюс ошибок измерения по специально разра-

угакной программ с применением метода наименьших квадратов и мв->даня, рекомендуемой ГОСТ II.002-73. Испытания на усталость, еклю-у-дие ¿!спнтз?5!Я с цель и определения предела выносливости и цккли-;ские испытания с различной базой-и нагрузкам для исследования ¡таточкьл нзпряхекгй, проводились для случая растяхения-сиатия на ¡лив УШ-01 и для случая частого изпкСа с вращением - на МУИ-ЮО. Статические испытания проводились для получения макроскопи-оких !«ханических характеристик материала к ослабленного лонерх-¡стного слоя по специально разработанной расчетно-япэрдоэнт&льЕОй кетодссе. Для повышения чистоты эксперимента об-зш» перед испытания»* подвергались электросшжровашю для мскдю-tZiл остаточных напряжений, наведенных при их изготовлении.

В разделе 2 диссертации приведены методики экспериментального ределенпя остаточкнх напряжений в поверхностных слоях цилиндри-ских гладких образцов и образцов с надреза® 7нэбргзкого профиля кс. I), основанные иг. работах профессора Самарского авиационного ститута С.И.КваноЕЗ и его учеников. Геометрические параметры об-зцоз определялись ГОСТом 25.502-79 для исследования чувствитель-е-тп материалов к концентрации нэпряетякй (см. табл.1). Дня этих резцов было проведено исследование точносгл опредаления остаточ-I нгпряяенй! в зависимости от разкероз зонн удаления матерка ча. гановяено, что основной вклад в деформацию образца вносит зона .сол-шейной части концеятраторз, ограниченная утлом 40°. При проявил числзвного эксперимента такав было выяснено, что увеличение «езду надрвзкя сгнив 2,50 (рис. I) практически не созывается вэдячш'е остаточных Еегф.чкетй, т.е. каздый из надрезов можно мать одиночно расположенным. Результаты определения остаточных гряженчй подвергаюсь статистической обработке по данным I*" ;ззцов для каждого исследуемого варианта-

Таблица I

Геометрические параметры образцов с надрезами У-ооразногс профия

Вмри.^нт С. мм 4. мм а, мм ..... V« км И. мм Грнд.

I 10,0 5,0 г,5 2.5 0,50 6Ь

2 10,0 5,С 2,5 ■ 2.5 0,25 50

3 10,0 5,0 2,5 2.5 | 2,СО 1 .80

Ту-тип рязд»» л посвящен исслвдеванш.; закономерностей форяпее"-нпя остйточнм напряжений в поверхностном слое ГЛЭДККХ ЦПЛНКДрНЧеС-ких образцов из сталей 45, 30.ХТСА и 35К2Ж!А с уча тон действия шк-личоеких нагрузок. Конкретные материалы были набраны из расчета охвата с ю'лп'.малгккыи затрата® всех классов сталей б завксзшоетг от с?>..'П5!1л пластичное;«: сталь 45 является представителем -нсокоплас-тичкого. ЗОУГС& - переходного, за*2Ш. - хрупкого класса счзмР.. В качс-сугзе исходных данных б расчетах использовалась механические характеристики ослабленного поверхностною слоя, полученное по специально разработанной расчэтно-гксперкмготыгьног методике.

.Иг.слздова5ось нздряхенно-де^ркированноа состояние, ослабленного поверхностного слоя детзди при доствзвнин внежей нагрузкой мак-сккаяыюго значения. В позерхностаом -слое гладкой цилккдрдческой детали, зознжают условия, характеризуйте.': наличием объемного напряженного состояния, (кроме осевых возгякат достаточно сользаэ ок-рукнке напряжения). В.этем случае у .поверхности, образца наблюдается значительное падение осевых напряжений с дальнейшим БнравниЕа:з1чм в

основной части сечения. Это дает основание классифицировать выявленную закономерность как своеобразную упруго-пластическую кон-центрьцто напряжений.

Определялись осевые, радиальные и окружные остаточные наш В срязи с тем, что основное влияние на прочность деталей змьа»уг ос~вие остаточные напряжения 3 диссертации чаше

всего рассматривался именно »тот компонент остаточного напрях»иного состояния. Результаты расчетов о приведены на рис. 2. Диапозсн

г о,о5 о.' о.1б а,мм о.о5 о,1 о,15 а, мм

а) • 6)

ri:с. Р.. Распределение осевнх остаточных напряжений б поверено стной слое гладких образцов, изготовленных из сталей 4Ь (а), 33X2?,SI Сб) после однократного воздействия осевой ■ расмгивггаеЯ нагрузки : I - ? » 0,5 Р1?,- 2 - Р = 0,7 *гтр, 3 - Р = 0,9 Р^

исследуек-ых нагрузок ограничивался величинами 0,5-0,9 от величины силы (Ртр/, соответствуйтей макроскопическому пределу текучести на растяжение- 1Тз денных рис. 2,а видно, что с увеличением нагу-зкя уровень остаточных напряжения к глубина га залегания .возрастает.

Для стали 45 наибольшие остаточные напрякешк''располагаются кь поверхности. С возрастанием прочности и хрупкости материала и скказ-нием пластичности повышается общий уровень скимаюсця остаточных напряжений с одновременным уменьшением глубины их залегания, пргетем появление подповерхностного максимума происходит при меньшей нагрузке . "

Для случая стационарно циклического нагружения было установлено, что остаточные напряжения циклически изменяются от цикла к циклу, т.е. после цикла растяжения возникают остаточные капрякекил сдатия о^^, а после шгкла сжатия - растяжения о^^, . В качестве характеристики остаточного напряженного состояния в диссертации принимались средние за полный цикл остаточнне напряжения

а (1) + о <2) г -

_ V гост 7.ост г , 1

"гост"-1-' I 4 )

т.к. именно такая величина остаточных напряжений формируется е поверхностном слое детали после полной разгрузки при достаточно большом ч^сл».' циклов этого процесса. Ввиду различия пределов текучести на растлление и сжагке ослабленного'позерхноотного слоя напряжения отличаются от нуля. Результаты расчетов о2'ст приведены ка рь.с. 3 для различных значений амплитуд нагрузки, определяемых по формуле

Р-КР.,. [5]

гд? к - ксэ1фм51бЕд' перегрузки, изменяемый в пределах к = 0,7-1,3; "?_, - кмнлигуда внешней нагрузки, соответствующая пределу выносливости материала при симметричном щции» о_1р. Ыокно видеть, что с '"-ллчег-ге-.".! ашшг'уды вн&аг&й нагрузки сашмавдив остаточные напря-. : ..! о,",, возрастает до некоторого предела, обусловленного соот-зугделэв '.окучести на растяжение и сжатие на данной глуба-ье и особенностям-«; лрлтекаЕЗя пластической деформации в ослгблекном

в)

Рис. ¿. Распре деление остаточных напряжений б гладких

образцах, изготовленных из сталей 45 (а), ЗОХГСА (б), 38Х2МЕА (в) для случая растяяеная-схатгя при коэффициенте перегрузки : I - к. = 0,7, 2 - к = 0,85, 3 -- к = 1,0, 4 - к =1,3 ..

поверхностно?* слое. Наибольшая величина о„^ст и глубина их залегания наблюдается у более пластичной стали 45.

Известно, что на сопротивление усталости оказывают шляние оо-■•о'СЕке напрягают?, действующие по толщине поверхностного слоя,

равной глубине нераспространящейся трещины усталости поэтому особое внимание.уделялось изучению их распределения именно на зтой глубине. Для используемых материалов при амплитуде внешней нзгруз-, га:, соответствующей пределу выносливости, наблюдается максимальная полнота эпюры остаточных напряжений по толщине поверхностного слоя, равной 1;^,. й качестве величины, характеризующей распределение остаточных напряжений в поверхностном слое толщиной с точки зрения сопротивления усталости был претят интегральный критерий остаточных нгпряжекий., используемый на кафедре сопротивления материалов

Самарского авиационного института

1

о * = Г ^ , Г гЛ

ьост % ] ,-р-. ' I )

о 77 - ^

где | = у/ - расстояние от поверхности до текущего слоя, выраженное в долях За изменением в зависимости от к могь-о

КР 20СТ

проследить по данным рис. 4. Видно, что дня зсех используемых материалов наблюдается экстремум критерия остаточных напряжений о„' при , т.е. при аипиштуде внешней нагрузки, соответствукдей пределу >;шослквооти мтгериала. Определяя 'расчетной. путем экстре.лум критерия ос-гаточхгах напряжений в зависимости от амплитуды внешней нчгрузки, представляется воз?ложнкм прогнозировать значение предела ьыносли-дости. Отметим, что величина критерия остаточных напряжений су:цес!%':гао згвиси? от пластичности материала. Аналогичные результаты ^ыли лачучена для случал чистого изгиба с вращением.

Расчетные значения пределов выносливости, найденные на основами 'чужлснннх закономерное-гей, практически не различаются с экспе-^яа&етаяьзнш, полученными при растяЕеши-сжатии и чистом изгибе, с вриршвд. '.•_....

Ира ыэд9Лироьз:й:11 процесса ргэгрукения бн.чо установлено, чт;-

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2

О * • гост

МПа -го

-40

-бо

-30

Рис. 4. Критерий остаточных напряжений гладкого образца при растядении-сжатии в зависимости от коэффициента перегрузки : I - сталь 45, 2 - ЗОХГСА, 3 - 38Х2МЮД

остзточяые напряжения з полностью разгруженной детали о„ОС1Г стремятся и соответствующим величинам о„* , отличаясь от послэднюс ч случае лтаь вблизи поверхности. Расчеты показали, что при критерий -"статочных яалряхешй численно равен величине

Растр-делен л б остаточных напряжений в полностью разгруженных глад- • ких цилиндрических образцам, найденное экспериментально, практически не отличалось от расчетного. Установлены следующие закономерности: на велтшну я распределение озтаточяых нацрлке;шй с^гзнв&ет влияние лиаь пврвнй цикл нагружень/Т, а достаточно интенсивное раг-гружение детели лрпгодит к резкому снижению- уровня остаточных напряжений; наиболее высокий уровень астачючных напрялений ь полностью рззгругйкнсР детали формируется при не менее 10 циклах ргзгрухения. Эти закономерности лодгверкдеж экспериментально.

При изучении особенностей распределения остаточных напряжений в зонах локального упрочнения поверхности были подтверждены ранее установленные закономерности со значительным уточнением как на качественном, так и на количественном уровне.

Четвертый раздел посвящен исследованию закономерностей формирования остаточных напряжений в условиях концентрации напряжений при действии циклических нагрузок. Приведены результаты тестовых расчетов и расчетоз теоретического коэффициента концентрации а в случаях растяжения-сжатия и изгиба для образцов по ГОСТ ?5.5СС-"Э.

На основе расчетов характеристик напряженно-деформированного состояния образца с надрезом У-образного профиля были выявлены условия, при которых в ослабленном поверхностном слое дна концентратора возникают осевые напряжения по величине ниже номинальных. Ис-сл^у-гшс влияние пластичности материала на закономерности распре-д.ч'еннл напряжений в поверхностном слое образца с концентратором.

Результаты расчета меридиональных остаточных напряжений о т в поверхностном слое криволинейной части надреза показали, что закономерности, внявле-шыв для гладких образцов, справедливы и ,ьля образцов с надрезом. Экспериментальное исследование остаточного напрйкеш:о-дефор?.'прованного состояния при однократном нагрукеЕии ('растяжением или сжатием) позволяет получить достаточно тсгеныэ значения механических характеристик ослабленного поверхностного слоя йЕ2 основа расчетов по построенной математической модели. Разработана соотвэтстеу.здоя расчетно-эксперименталъная методика определения мех-уг^ческ-тх характеристик ослабленного поверхностного слоя, с ис-'.¿■лъзоьачием кс-.ороа определены величина и распределение предела '.экучостя по гашцине поверхностного слоя образцов (рлс. 5). Данные рас. ' (¡ит принять в качестве исходных при расчете остгтотаых веп-:'' *якэга>'2 в гладких образцкх и образцах с задрезаки под действием

8}

б) В)

Рес. Б. Распределение по толщине ослабленного поверхностного слоя предела текучести на сжатие с и растяжение отр для сталей ¿5 '{а), ЗОХГСА (б), 38Х2ША (г.) , •'

циклических нагрузок.

После проведения испытаний на усталость при растяжении-сжатии были проведелн расчеты распределения остаточа/х напрягений для об-

разцов с надрезом при стационарно циклическом, нагружении. Закономерности, выявленные для гладких деталей, подтвердились и в данном случае. Поэтому Сил применен тот г:е подход и вычислены значения критерия остаточных напряжений по формуле, аналогичной (6),

для различных значений теоретического коэффициента концентрация напряжений аа (рис. 6) при к=1. Как и в случае гладкой' детали наб-

1 1.5 2,0 2.5 3,0 3,5 а

о у

фОСТ '

МПа

- 40

- 60

- 80 -1 00 -120

Рис. 6. Критерий остаточных напряжений образцов с надрезами 7-обра:шсго профиля, изготовленных из сталей 45 (I), ЗОХГСА (2), -ЗСХ2МЮА (3). при раотяженяи-сжэтии к=1,0

.■вдается экстремум критерия остатошшх напряжений: при к=1, который определи возможность теоретического прогноз1фования предела енеос-лчзоо^л детали, зоплоцашув в кйтодаке расчета предела выносливости цялкндричесгагс деталей, парЕОнзЧйЛвйс свободных от остаточных напряжений.

ПркЕедоич также "экспер^еяталыше дакше, подтзерздзщие расчетное распределение остаточнЕХ-вйгфяЗйЕйЗ, наведенных в поьерх-НГ.1ТН0М слое дощздшесккх деталей с концентраторами ншфягешй. • ' ■ "Д раздел представляет.' собой заключение:

.1. на осювэ Ейввсй^ 'ксетэйойай!« ;во ося&тшст. -.ярщи-

5 I .......1 2 М- 3 »

. 1 1 1 1—

-1—

ностному слою деталей, циклических диаграмм деформирования материалов, теории пластического течения и метода конечных элементов с использованием принятых гипотез построена математическая модель формирования остаточного напряженно-деформированного состояния в поверхностных слоях цилиндрических гладких деталей и деталей с кольце вш/и надрезами У-образного профиля при однократно статическом, стационарно циклическом нагруженил и при разгружено!. Разработан соотвптгтвумций алюритм, воплощенный в блоке программ.

2. Разработаны методики и установки для определения остаточных напряжений а цилиндрических образцах с гладкой рабочей частью и с надрезами '/-образного профиля. Разработан блок программ, позволяющих нэ основе экспериментальных данных определять остаточные напряжения в поверхностных слоях исследуемых образцов с соответству-ЕцеЗ статистической обработкой. Исследовано влияние размеров зоны удаления материала с криволинейной части впадины надреза на точность измерения остаточных напряжений.

3. Усовершенствованы методики статических испытаний и испытали?. на усталость с использованием разработанной самоустанавлива-гдеЗся опоры, защищенной авторским свидетельством, и специального захвата. С достаточной степенью точности определены механические характеристики материала и образцов с кольцевыми надрезали 7-образного профгля с применением надежных методов тарировки усталостна. маазя и разработанных программ статистической обработки данных, исключающие явные промахи.

4. Разработана методдка определения механических, характеристик ослабленного поверхностного слоя цилиндрических деталей с использованием построенной математической модели, выявлено отличие пределов текучести нз растяжение и сзаше, определены величина и распределение пределов текучести на растяжение и сжатие, толщина ослабленного

слоя для сталей 45, ЗОХГСА, 38Х2МЮА, проведана оценка влияния пластичности материала на механические характеристики поверхностного слоя.

5. На основе проведенных расчетов по построенной математической модели выявлены следующие основные закономерности формирования остаточных напряжений :

- остаточные напряжения в процессе циклического нагрухения циклически изменяются с стабилизацией их величины в процессе разоружения;

- критерий сжимающих остаточных напряжений, вычисленный по толщине поверхностного слоя образца, равной глубине нераепространя-ющейся трещины усталости, .имеет экстремум при амплитуде внешней нагрузки, соответствующей пределу выносливости;

- отличие аффективного коэффициента концентрации напряжений от соответствующего теоретического объясняется с позиций механики ос-тзточшх напряжений на основе характера распределения пределов те-кучест:' на растяжение и сжатие ослабленного поверхностного слоя.

о. С использованием построенной математической модели исследовано влияние вида деформации (растяжение-сжатие и - изгиб), 'механических характеристик ослабленного поверхностного слоя, пластичности материала, степени концентрации налрякений на величину и распреде-леи;е остаточных напряжений, формирующееся при однократно статическом, стационарно циклическом нагружении и в процессе разгружения.

7. Проведены экспериментальные исследования, подтвердившие ос-ног'.ые ."гкономерности, вняьлешае теоретвчесадм путем с использова-.ьгвч построен?,:ой математической модели црад.©нйтельяо к образцам из

' " I

сталей 45, ЗСКГСА Ц 28Х2ММ.

■ 3'- Разработаны рекогшадвцга! то повлеки» аЗфектшзоста испола-зочашя из^стшго. .юяедэ. щеяващщ - ^режровка. теидаэо-

кой нагрузкой при напряжениях, близких к пределу выносливости. Установлено, что для достижения максимального эффекта этим методом упрочнения детали достаточно задать не более 10 циклов нагружения при не менее 15 циклах разгрузки.

9. Разработана методика расчета предела выносливости цилиндрических деталей с использованием построенной математической модели и на основе известных механических свойствах ослабленного поверхностного слоя, которая внедрена в расчетную практику СКВ "Турбина".

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЦДУЩИХ РАБОТАХ:

1. Павлов В.Ф., Столяров А.К., Бордаков С.А., Лапин В.И., Григорьева И.В. Методика определения остаточных напряжений в цилиндрических деталях с использованием метода конечных элементов/ КуАИ. Куйбышев, 1990. - 23 с. - Деп. в ВИНИТИ 23.05.90, Л 28I0-B90.

2. Павлов В.Ф.-, Бордаков С.А. Роль остаточных напряжений, возникающих в процессе^ циклического нагрукения, в сопротивлении усталости цилиндрических деталей// Остаточные напряжения - резерв прочности в машиностроении: Тезисы Всесоюзной научно-технической конференции. -Ростов-на-Дону, 1991. - С. III.

3. Павлов В.Ф., Кирпичев В.А., Бордаков С.А. Остаточные напряжения в образцах прямоугольного поперечного сечения с надрезами V-обрэзного профиля// Известия ВУЗов. Машиностроение. - 1989. - Л 9. - С. 6-10.

4. Павлов В.Ф., Бордаков С.А., Кирпичев В.А. Кинетика возникновения остаточных напряжений и их роль в сопротивлении усталости деталей с концентраторами// Конструкционная прочность двигателей: Тезисы XIII Всесоюзной научно-технической конференции. - Самара, 1991. - С. 84.

5. Павлов В.Ф., Лапин В.И., Бордаков С.А. Влияние остаточных нап-

ряжений на предел выносливости детали прямоугольного поперечь сечения с концентраторами// Известия ВУЗов. Машиностроение. - 1£ - * I. - С. 16-19.

6. Столяров А.К., Бордаков С.А., Лапин В.И. Методика расчета ос точных напряжений после поверхностного упрочнения детали// Фие прочности и пластичности металлов и сплавов: Тезисы XII Все сою-конференции. - Куйбышев, 1989. - G. 411.

7. Павлов В.Ф., Лапин В.И., Кольцун Ю.И., Бордаков С.А., Писг A.B. Влияние размеров поперечного сечения поверхностно упрочнег образцов из сплава Д16Т на сопротивление усталости в условиях i центрации напряжений// Проблемы прочности. - 1990. - № 4. - С. 79. .

8. Столяров А.К., Бордаков С.А., Лапин В.И. Образование остато' напряжений при циклическом нагружении деталей из сталей ЗОХГС. 38X2M3QA в условиях концентрации напряжений// Конструкционная ц ность двигателей: Тезисы П1 Всесоюзной научно-технической ко: ревдии. - Куйбышев, 1990. - С. 173.

9. Прохоров A.A., Бордаков С.А., Кольцун Ю.И., Климов H.A. Сам танавливаадаяся шаровая опора испытательного устройства. -СССР № 4478565 от 01.04.90, кп. G0IN3/32.

10. Прохоров A.A., Кольцун Ю.И., Бордаков С.А. Захват для центр вания образцов при испытаниях на усталость при растяжении. -СССР J6 757912 от 23.07.86, кл. G0IN3/32.

11. Иванов С.И., Столяров А.К., Бордаков С.А. Образование сжимг остаточных напряжений в ненаклепанном материале// Конструкцис прочность двигателей: Тезисы XI Всесоюзной научно-технической ференции. - Куйбышев, 1988. - С. 177.