Исследование остаточных макронапряжений и структуры поверхности металлов в условиях действия знакопеременных нагрузок. тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

Міністерство освіти України Запорізький державний університет

СЕРПЕЦЬКИЙ Борне Олексійович

УДК 539.3+620.192.7:621.438-226.2-192.001.5

ДОСЛІДЖЕННЯ ЗАЛИШКОВИХ НАПРУЖЕНЬ ТА СТРУКТУРИ ПОВЕРХНІ МЕТАЛІВ В УМОВАХ ДІЇ ЗІІАКОЗМІНІШХ НАВАНТАЖЕНЬ

01.04.13 - фізика металів

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Запоріжжя -1999

Дисертацією є рукопис. ’

Робота виконана в Запорізькому державному технічному університеті Міністерства освіти України

Науковий керівник доктор технічних наук, професор Левітін Валім

Володимирович, Запорізький державний технічний університет, професор кафедри фізики

Офіційні опоненти:

1. Доктор фізико-математичних наук Піщак Вадим Каспарович, Інститут металофізики НАН України, провідний науковий співробітник

2. Кандидат фізико-математичних наук доцент Гіржон Василь Васильович, Запорізький державний університет, доцент кафедри фізичного матеріалознавства

Провідна установа: Донецький державний університет Міністерства освіти

України, кафедра фізики твердого тіла і фізичного металознавства

Захист дисертації відбудеться " " К'ІСтНЛ 2000 р. о і£_ годині на

засіданні Спеціалізованої вченої Ради К 08.04.01 при Запорізькому державному університеті за адресою: 67600, м. Запоріжжя, вул. Жуковського, 66.

З дисертацією можна ознайомитися в науковій бібліотеці Запорізького державного університету: 67600, м. Запоріжжя, вул. Жуковського, 66.

у „

Автореферат розісланий " -/ " 1-999р.

Вчений секретар /]

Спеціалізованої вченої ради //а/

кандидат фізико-математичних наук ^ Швець Ю.О.

Актуальність теми

Наукова актуальність досліджень властивостей поверхневих шарів металів полягає в необхідності розвитку уявлень про фізичну природу деформації та руйнування металевих тіл, про механізм деформаційних процесів, локалізованих в поверхневому шарі.

Об'єктом досліджень служили деталі та вузли реальних газотурбінних двигунів. Проблема надійності та довговічності літальних апаратів та інших машин багато в чому визначається напруженим станом поверхні, розвитком процесів контактної взаємодії. Прикладна актуальність зазначеної проблеми пов'язана з усіма задачами деформування матеріалів під час експлуатації, розробки оптимальних технологій, розрахунку опору втомленості.

Зв'язок роботи з науковими програмами

Робота виконувалася, зокрема, відповідно з сумісною Науково-технічною програмою Міністерства авіаційної промисловості та Академії Наук України (наказ N 284 від 17.07.86) та входить до плану наукових робіт ЗДТУ в 1994-1999 р., затвердженого Міносвіти (шифри ДБ6014, ДБ6016, ДБ6019).

Мета і задачі дослідження

!. Розробка нової схеми дифрактометричного експерименту та обробки його результатів з метою підвищення точності та продуктивності вимірювань параметрів напруженого стану.

2. Дослідження залишкових напружень, їх розподілу та еволюції в зразках та в натурних відповідальних деталях .

3. Вивчення закономірностей формування поверхневого шару в матеріалах під час магніто-абразивної обробки та при зміцненні деталей сталевими кульками в ультразвуковому полі.

4. Дослідження фізичного механізму втомленості матеріалів, розробка моделі процесу та способу прогнозування зародження тріщин втомленості.

Наукова новизна одержаних результатів

Значно поширені можливості рентгенодифрактометричного методу вимірювання внутрішніх залишкових напружень. Вперше систематично, послідовно встановлено розподіл напружень безпосередньо у високонавантажених деталях. Вивчено механізм та проаналізована модель втомленості. Запропоновано метод прогнозування руйнування втомленості.

Основні положення, які характеризують наукову новизну роботи полягають у наступному:

І. Запропонована фізична кількісна модель втомленості включає в себе рух дислокацій під впливом знакозмінних навантажень, вихід дислокацій на поверхню, утворення заряджених ступенів, внаслідок чого зменшується робота

виходу електронів. Метод вимірювання роботи виходу електрона у сплавах надає можливість прогнозування місця та часу зародження мікротріщин втомленості.

2. Обробка металів сталевими кульками в ультразвуковому полі ліквідує неоднорідність розподілу макронапружень. Рівень благосприятливих стискуючих поверхневих макронапружень залежить від матеріалу деталі, маси кульок, амплітуди їх коливань та становить від мінус 370 до мінус 750 МПа.

3. Запропонована нова схема реєстрації розсіяного рентгенівського

випромінювання, яка включає поворот детектора в екваторіальній площині, вживання коліматора з тонкою стінкою та використання монохроматизованого випромінювання. Це дозволило на порядок підвищити точність вимірювання залишкових макроскопічних напружень. .

4. Вперше розроблена програма багатопланової автоматизованої обробки рентгенодифрактометричних даних. Вона дає можливість суттєво збільшити продуктивність вимірів міжплощинних відстаней кристалічної гратки та залишкових макронапружень.

Практичне значення одержаних результатів

Експериментальні результати, які отримані в роботі, суттєво розширюють можливості неруйнуючого безконтактного методу вимірювання залишкових напружень у відповідальних деталях ГТД. Отримані дані по значенням напружень в конкретних промислових натурних деталях. Запропоновані рекомендації по технологічним заходам збільшення опору втомленості та покращенню якості обробки. При магніто-абразивній обробці введения в робочу масу абразива 10 - 20 % сталевих кульок покращує якість обробки поверхні, підвищує рівень стискуючих напружень в 1,5 рази та істотно збільшує довговічність міжпазових виступів дисків.

Особистий внесок здобувача

Полягає у створенні експериментального обладнання, проведенні експериментів, в обробці та аналізі одержаних даних, а також в обговоренні з науковим керівником плану досліджень та суті одержаних теоретичних та дослідних даних.

Апробація роботи

Основні результати доповідались на наукових конференціях: 3-й Всесоюзной научно-технической конференции "Повышение надёжности и долговечности машин и сооружений” (Запоріжжя, 1986 р.); 5-й научнотехнической конференции "Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки" (Запоріжжя, 1992 р.); Международной конференции "Проблемы современного материаловедения" (Дніпропетровськ, 1997 p.); 8-th International Symposium on Nondestructive Characterization of Materials (USA, Boudler, 1997 ).

з

Публікації

За матеріалами дисертації опубліковано 9 праць в наукових журналах та збірниках. Подано заявку на видачу патенту України на винахід. і

Структура та обсяг дисертації

Дисертаційна робота складається із вступу, шести розділів, висновків, переліку літератури із 113 назв та трьох додатків. Загальний обсяг роботи складає !79 сторінок, у тому числі 37 рисунків та 17 таблиць.

ЗМІСТ РОБОТИ ВСТУП

У вступній частині обгрунтована актуальність теми, сформульована мета роботи, освітлені її новизна та практична цінність.

ЛІТЕРАТУРНИЙ ОГЛЯД

Перший розділ роботи освітлює стан питань, які стосуються сьогоденних поглядів на закономірності формування властивостей матеріалу поверхневого шару металів. Розглядаються умови роботи матеріалів; питання фізичних процесів зміцнення; методи дослідження тонкої структури.

МАТЕРІАЛИ, МЕТОДИКА ТА ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА ТЕХНІКА

Згідно з поставленими в роботі задачами для вивчення були вибрані такі матеріали: алюміній; сплави на основі титана марок ВТЗ-1 та ВТ-9; жароміцні сталі марок ЭП866 (15X16К5Н2МВФ АБ), ЭП499 (15Х16Н2АМ), ЭИ698 (ХН73БПО), жаростійкий ливарний сплав ЖС6К (ХН67К5В5М4ТЗЮ6). Більшість об'єктів являли собою натурні деталі: компресорні та робочі лопатки , замки лопаток, сектори дисків, пази дисків.

Вимірювання макроскопічних напружень методом рентгеноструктурного аналізу засновано на точному визначенні деформації кристалічної гратки досліджуваного матеріалу. З основного рівняння-формули Вульфа-Брегга -випливає таке співвідношення:

є = ((ічІоУЛ) = М/й = - 9 х ДО, (1)

де с10 і сі - відстань між кристалічними площинами для недеформованого та деформованого матеріалу відповідно; 0 - кут відбиття рентгенівскіх променів; А0

- зміна кута відбиття в результаті деформації. З формули (1) очевидно, що до деформації особливо чутливий стан інтерференційних ліній, кут яких близький до я/2.

Шукане напруження розраховується за формулою

ах = - [В / 2(i+v)] [5(20) / c(sin2i|/)] ctg 0,

(2)

де E - модуль нормальної' пружності; v - коефіцієнт Пуассона ; ці - кут нахилу зразка до рентгенівського променя. Будувалася залежність експериментального положення подвійного бреггівськогр кута 20 від sinV і потім за графіком знаходилось значення похідної, що входить в розрахункову формулу (метод "20 - sin2y" ).

Дослідження здійснювали за допомогою рентгенівських дифрактометрів ДРОН-3 та ДРОН-ЗМ. Деталі та зразки закріплювали в спеціально розробленому утримувачі та ретельно юстиювали. Площа опромінюваної ділянки на поверхні

О

деталі (зразка) складала 1-10 мм . Звичайно використовували 3-5 кутів нахилу зразка \)і при 3-5 зйомках з одного й того ж місця.

Для вимірювання мікроскопічних напружень (другого роду) та середнього розміру блоків був використаний метод гармонічного аналізу форми рентгенівських ліній. Для обробки даних були розроблені програми для PC IBM.

У реферованій роботі було розроблено та створено декілька експериментальних установок. Установка для магнітно-абразивної обробки деталей була зібрана цехом 20 підприємства "Мотор-Січ". Вона складається із станини, магнітної системи, приводу обертання шпінделя, планшайби з пристроєм для кріплення оброблюваної лопатки.

Запропонована установка, яка призначена для випробувань на втомленість замків лопаток та яка дозволяє одночасно проводити резистометричне вивчення замкового спряження. Вузол навантаження ялинкового замка випробуваної лопатки зібраний на платформі, яка прикріплюється до столу вібростенда ВЭДС-400. Гідроциліндр дозволяє забезпечити статичне зусилля, яке прикладається до хвостовика досліджуваної лопатки. До лопатки та утримувача прикріплені електроди, необхідні для вимірювання електроопору спряженої пари. Досліджували серію промислових литих охолоджуваних . лопаток турбіни високого тиску, виготовлених із сплаву марки ЖС6К. Резонансна частота знаходилася в інтервалі 100-140 Гц, амплітуда коливань становила 0,50 - 1,25 мм. Навантаження на хвостовик було 10,20 або 30 кН.

Нами виготовлена також установка для випробувань замків дисків на втомленість. Навантаження здійснюється за допомогою двох лопаток, що притискують виступ замка диска до переднього фланця. Тензодатчики пружнього елемента дозволяють знайти величину напруження. Пристрій установлюють на стіл вібростенда.

Зміцнення дисків було виконано сталевими кульками в ультразвуковому полі. Пази та міжпазові виступи оброблювались за допомогою спеціальної установки. Особливість обробки полягала в послідовному зміцненні кожного зуба. Частота коливань концентратора становила 17,2 кГц, амплітуда - 45 мкм.

Дослідження елементів дисків на втомленість проводили на резонансній

частоті порядку 300 Гц. Амплітуда загину зуба становила приблизно 0,03 мм. При цьому статичне навантаження на перемичку зуба становило 2450 Н, то відповідає умовам роботи двигуна.

Дослідження втомленості зразків проводили або методом "східців", або методом із навантаженням, ідо змінювалось дискретно на базах від 2x10Л до 2хШ7 циклів навантаження. За критерій початку процесу руйнування зразка було прийнято падіння резонансної частоти коливань на 5 Гц.

Для тих же зразків було виміряне значення роботи виходу Ф електрона (РВЕ) та її розподіл по поверхні. Величина Ф вимірювалась методом динамічного конденсатора Кельвіна, який заснований на компенсації контактної різниці потенціалів між випробуваним та еталонним зразками. Установка для досліджень на втомленість з одночасним визначенням РВЕ включає в себе малогабаритний п'єзоелектричний вібростенд та комплекс вимірювальної апаратури. Зразок закріплюється консольно в затискачі вібростенду між ізоляційними прокладками та зазнає вимушених механічних коливань. Вимірювальний комплекс складається з електрометричного підсилювача, резонансного підсилювача, до виходу якого підключено електронний осцилограф, та схеми компенсації, вихідна напруга якої вимірюється вольтметром, підключеним через підсилювач, що розв'язує. Резонансні частоти коливань зразків становили 400 Ги для сплавів титана та сталей та 1300 Гц для алюмінію на базі випробувань 2х106 циклів. Вимірювання проводились по 5-7 разів в кожній точці вздовж зразка та повторювались періодично в процесі досліджень на втомленість та після них. Похибка виміру РВЕ становила 2 меВ.

ДОСЛІДЖЕННЯ ЗАЛИШКОВИХ НАПРУЖЕНЬ НА ПОВЕРХНІ

В результаті проведеної роботи були розроблені та використані такі заходи, які забезпечили підвищення точності та продуктивності рентгенодифрактометричного методу вимірювань залишкових макроскопічних напружень:

• використання інтерференційних кутів 20, близьких до 180°;

• застосування монохроматизованої лінії первинного рентгенівського випромінювання;

• вибір та локалізація досліджуваної ділянки матеріалу за допомогою оптичної системи дифрактометра;

• розробка програми автоматизованої обробки даних вимірювань за допомогою зовнішньої ЕОМ.

Відомо, що найбільш точні значення параметрів міжплощинних відстаней визначаються за інтерференційними відображеннями, розташованими під подвійними кутами Вульфа-Брегга 20, які прагнуть до 180°. Відносна похибка вимірювань періоду гратки різко зменшується з збільшенням кута; при цьому

помітно знижується вплив всіх факторів, які збільшують похибку вимірювань. Однак конструкція стандартних рентгенівських дифрактометрів дозволяє проводити виміри тільки при 20 < 167°, а з монохроматором при 20 < 157°. Це обумовлено тим, що кожух рентгенівської трубки перешкоджає зміщенню детектора в область великих кутів. Нам вдалося виключити цей конструкційний недолік.

Збільшення кута Вульфа-Брегга було досягнуто за рахунок змінення положення детектора розсіяного випромінювання та застосування нової колімуючої системи. Детектор був повернутий таким чином, щоб площина вікна являла гострий кут з розсіяним пучком (рис.1). Було виготовлено колімуючий пристрій, який складається із монохроматора зі щілинами та вузького, довгого коліматора. Особливість коліматора полягає в мінімально тонкій стінці із сторони детектора, яка не обмежує його рух при більших кутах та водночас екранує детектор від розсіяного випромінювання. Таким чином, значення найбільшого можливого кута 20 на монохроматизованому випромінюванні було доведено до \ 11,6°. Це дало можливість при використанні Кр - променів від трубки з кобальтовим анодом проводити,

Рис.1. Нова схема рентгенодифрактомегричних вимірів її - фокус трубки; М - монохроматор; 8Ь1, 8Ь2 - щілини; Б зразок; Г) - детектор; С, БЬЗ - коліматори.

наприклад, вимірювання остаточних напружень в деталях із сплавів титана на лінії з положенням центру ваги 20 к 168°, а в жароміцних нікелевих сплавах на лінії 29 » 160°. Причому ефективність детектора не зменшилась. Розширення діапазону кутів 20 дало можливість використовувати при градуюванні дифрактометра як реперну лінію порошку а-кварцу 20 = 174,5°, що значно збільшує точність контролю юстиювання зразків. Похибка вимірювань залишкових напружень, розрахована за вказаними найбільшими значеннями кутів, зменшилась в 9,7 разів.

Замість звичайного Ка-дублету в даній роботі використовувалось одиночне випромінювання р-лінії, що було до того ж монохроматизоване відбиттям від плоского монокристалу графіту. Юстиювання проводилось за допомогою прецизійної оптичної системи. Це забезпечувало локальність та можливість точного вибору ділянки зразка. Використання (3-лінії дозволило збільшити точність фіксації піку та застосувати для попередньої обробки результатів серійну мікро-ЕОМ дифрактометру.

Кінцева обробка результатів проводилась на персональній ЕОМ, яка працює в автоматичному режимі на лінії з дифрактометром. З метою підвищення продуктивності рентгенодифрактометричних вимірювань до шин внутрішньої ЕОМ був підключений персональний комп’ютер. Була розроблена спеціальна програма багатопланової автоматизованої обробки даних за допомогою зовнішнього комп'ютера1. Результати вимірювань - залежність інтенсивності розсіювання від кута І = ((20) з заданим кроком та числом сканувань -завантажуються в зовнішню ЕОМ та з’являються у вигляді графіка на екрані дисплея. Далі здійснюється дисперсійний аналіз отриманого числового масиву. Потім на екрані відзначаються усі експериментальні точки всіх сканувань та будується середній дифракційний пік. Програма переходить в діалоговий режим.

Досліднику надається можливість виконати такі операції:

1. Побудувати дифракційний пік кожного із сканувань.

2. Згладити дані експерименту за відомим алгоритмом.

3. Коректувати положення лінії фону.

4. Виконати розрахунок центру ваги дифракційного піку; обчислити інтегральну інтенсивність піку, максимальну його висоту та ширину на половині висоти.

5. Провести Фур’є - аналіз дифракційного піку з розрахунками коефіцієнтів Фур’є та відображенням експериментальної та синтезованої кривих.

6. Розрахувати макронапруження за результатами зйомки при кількох кутах ці.

Тривала експлуатація установки та програми обробки даних показала

1 Програма обробки даних розроблена сумісно з В.К.Манько.

надійність їх роботи. . .

Були проведені вимірювання напружень в замковій частині лопаток турбіни високого тиску виробу АІ - 25ТЛ із сплаву марки ЖС6К.

. Таблиця 1

Залишкові напруження в замках лопаток (а,МПа)

Позиція зйомки УЗ зміцнення замків. Частини УЗ зміцнення Замків. Частини Без зміцнення

до вибро-випробувань Після вибро-випробувань

Поличка -702 -685 -550 -56

Перший зуб -16 -49 -368 0

Хвіст -498 -488 -746 0

З таблиці видно, що ультразвукова обробка спонукає з'явленню благосприятливих стискуючих макронапружень від мінус 500 до мінус 750 МПа. Однак, вочевидь, в силу особливостей технології перший зуб майже не зміцнюється. Вібровипробування не змінюють величину о.

Вивчалась залежність величини макронапружень від режимів ультразвукового зміцнення сталевими кульками (УЗЗ) замків лопаток турбіни високого тиску виробу Д-36. Також була визначена межа витримки. Для досліджень були відібрані 64 лопатки (шифр 36.54.02.009-01), розділені на 4 партії по 16 штук, а також для порівняльних досліджень 2 партії лопаток по 15 штук в кожній (обробки УЗЗ в цеху 20 та в цеху 66 ЗМКБ "Прогрес"). Перша серія після УЗЗ зазнавала термічної обробки з метою імітації впливу високих температур при роботі двигуна на режимі зльоту. Лопатки другої серії зміцнювались по всій поверхні замка без наступної термічної обробки.

Результати досліджень для лопаток 1 серії представлені в таблиці 2. Обробка приводить до формування в поверхневому шарі замків стискуючих залишкових макронапружень на поличці в інтервалі (-460...-580) МПа; на передній стороні 1-го зуба в інтервалі (-50...-330) МПа; на задній стороні 1 зуба в інтервалі (0...-340) МПа.

Наявні експериментальні дані дозволяють вважати найбільш ефективним режим УЗ, де значення напружень монотонно змінюються по поверхні замка та немає різкої відзнаки в обробці досліджуваних лопаток. Збільшення маси робочих кульок та амплітуд обробки веде до більш інтенсивного зміцнення поверхні міжпазових виступів (табл. 2).

Таблиця 2

Параметри зміцнення лопаток

Режим зміцн. Бс^ зміцн. VI У2 УЗ . У4

Діаметр кульки, мм - 0,9 +1,3 1,0 +1,3 1,0+1,3 1,0 +1,3

Амплітуда, мкм - О о •І- о 80 -т 100 80+100 80+100

Маса, г - 150+200 20+80 20 +40 20 +40

Час, с - 55 +60 40+45 60+65 35 +90

Номер лопатки Н832 Н851 Е902 1993 Е59 021 Е78 07Е4 Е894 Е903

Напруж. ІІа поличці, МПа 0 ■ 0 -524 -466 -510 -486 -5^4 -558 -554 -557

Напруж. На 1 -му зубі, МПа +20 +121 -229 -46 -130 і -168 -332 -230 -333 -184

+59 +65 -330 -340 -342 -57 -163 -170 -138 +34

Межа витримки а'1, кг/мм2 МПа 12 117,6 14 126,8 14 126,8 12 117,6 .

Для вибору режиму виготовлення пазів дисків була проведена серія експериментів. На зразках із сплавів ВТ-9, ЭИ-698 досліджували три режими протяжки та вплив поелідуючої ультразвукової обробки на напружений стан поверхневого шару.

У зразків, отриманих при швидкості протяжки 4 м/хв., велика швидкість протяжки викликала у поверхневих шарах напруження, що розтягують до плюс 660 МПа. Наступна ультразвукова обробка не тільки зняла неблагосприятливі напруження, але й сприяла виникненню стискуючих напружень до мінус 600 МПа. Зміцнююча обробка цих поверхонь сталевими кульками в ультразвуковому полі вирівнює розподіл деформацій та викликає стискуючі напруження до мінус 700 МПа. *

Проведені дослідження показали, що обробка деталей сталевимі кульками в ультразвуковому полі, знешкоджує неоднорідний стан структури,

неблагосприятливі залишкові напруження, що розтягують, викликані

попередньою обробкою, та викликає на поверхні стискуючі макроскопічні напруження, що запобігають утворенню тріщин втомленості.

Суттєві результати вдалося отримати по обробці міжпазових виступів дисків. Спостерігається різке зростання довговічності зразків з інтервалі часу обробки 60-80 с і також вихід на плато. Хід кривих свідчить про збільшення

опору втомленості при обробці кульками з діаметром ] мм.

Таким чином, ультразвукове зміцнення міжпазових виступів кульками діаметром 1 мм на протязі 60 - 80 с дозволяє підвищити довговічність дисків на 175%. Залишкові напруження в результаті обробки диску формуються як на зовнішній поверхні зуба диска, так і на внутрішній поверхні пазу.

ЗАКОНОМІРНОСТІ ФОРМУВАННЯ ПОВЕРХНЕВОГО ШАРУ МАТЕРІАЛІВ ПРИ МАГНІТО-АБРАЗИВНІЙ ОБРОБЦІ

Для магнітно-абразивної обробки (МАО) відібрали серію лопаток шостого ступеня компресора ГТД. Частину лопаток оброблювали по серійній технології, другу частину піддавали МАО. Далі проводили порівняльні виміри маси лопаток, геометричних розмірів, шорсткості поверхні пера, виконували дослідження лопаток на вібровтомленість та вимірювання залишкових напружень.

Встановлено, що МАО забезпечує виконання всіх вимог щодо геометрії та поверхні лопаток. Залишкові напруження після МАО у всіх досліджених лопаток стискуючі, мають один порядок величини та складають від мінус 600 до мінус 750 МПа. Схема випробувань на втомленість містила ЗЛО6 циклів при амплітуді 3,0 мм (база), потім 2-Ю6 циклів при амплітуді 3,5 мм, нарешті, випробування до руйнування при амплітуді 5,0 мм. Найбільш довговічними виявились лопатки, які пройшли магнітно-абразивну поліровку на протязі більш тривалого часу. Проведення МАО, дуже вірогідно, суттєво поліпшує опір лопаток втомленості.

Для нової дослідної комплексної магнітно-абразивної обробки відібрали лопатки 6-го ступеня компресора. Для обробки використовували установку з кільцевою робочою зоною. У якості "робочого тіла" застосовували абразивний порошок марки КЧМ (0,35 ДЧК) та сталеві кульки діаметром 1,6 мм (сталь ШХ 15). Були випробувані 5 режимів обробки з різним відсотковим вмістом порошку та сталевих кульок. Кожна лопатка оброблювалась по чотирьом перерізам пера на протязі 60 с на кожній установці.

Наведені напруження стискуючі. Максимальне значення макронапруження мають, якщо робоче середовище містить від 10 до 30 % по масі сталевих кульок. Причин позитивного ефекту, притаманного розробленому способу, дві: концентрування силових ліній магнітного поля та наклеп поверхні.

ВПЛИВ ПОВЕРХНЕВИХ ПЛІВОК НА РЕЗУЛЬТАТИ ВИМІРУ ЗАЛИШКОВИХ НАПРУЖЕНЬ

Натурні деталі можуть містити органічні мастила на поверхні. Необхідно відповісти на питання, в якій мірі вплив органічних плівок може викривлювати результати рентгендифрактометричних вимірів. Окрім того, вивчення впливу електричних полів зовнішніх забруднень становить самостійний науковий інтерес.

Результати вимірювань виявили, що наявність мастил на поверхні полікристалічного металу веде до зменшення кута центру ваги дифракційного піку на 0,06° - 0,07°.

У межах точності експериментальної методики показано, що присутність на поверхні металів шарів органічних мастил не веде до деформації кристалічної гратки матеріалу поверхневого шару, а зсув центру ваги дифракційного піку

викликаний явищем поляризації адсорбату на металевій поверхні.

СТРУКТУРНІ ЗМІНІ! ПРИ ВТОМЛЕНОСТІ. ФІЗИЧНА МОДЕЛЬ.

Була досліджена серія промислових литих охолоджуваних лопаток турбіни високого тиску. Дані свідчать про те, що число циклів до руйнування замка зменшується із ростом величини статичного навантаження на хвостовик. Проведений теоретичний аналіз показав, що між логарифмом числа циклів до руйнування лопатки та енергією коливань повинна існувати лінійна залежність. Експерименти підтвердили цю закономірність.

Результати вимірювання мікродеформацій та мікронанружень для алюмінію приведені в табл 3. По мірі впливу на зразки знакозмінних напружень відбувається ріст густини дислокацій р.

Таблиця 3.

Результати вимірювань мікродеформацій є та напружень другого роду ст в процесі втомленості

Цикли випробувань е, експериментальні дані сг, МПа р, 1013 м'2

0,5 ^ 0,86 х 100 23,2 3,56

0,8 № 1,09 х Ї0-3 29,4 5,72

N.. 1,36 х 10 3 36,7 8,92

Тут N7- число циклів до руйнування.

В результаті проведених досліджень встановлено, що робота виходу електрона зменшується в тому місці, де в майбутньому відбувається зародження тріщини, причому падіння РВЕ стається задовго до з'явлення тріщини. Очевидно, що зменшення значень РВЕ відображує структурні зміни в матеріалі під час дії знакозмінних напружень. Таким чином, доведено, що метод вимірювання роботи виходу електрона має обгрунтовані можливості щодо прогнозування місця та часу зародження тріщин втомленості.

З отриманих експериментальних даних випливає такий механізм розвитку процесів, що приводять до втомленості металів.

В результаті впливу прикладених знакозмінних навантажень у матеріалі генеруються дислокації. Рухаючись у площинах ковзання, що перехрещуються, дислокації поступово виходять на поверхню, утворюючи сходинки. Сходинки на поверхні мають дипольний момент. Негативний заряд, акумульований поверхневії,ми атомами, викликає такий вклад диполів в поверхневий потенціал, який знижує значення роботи виходу. Схематично модель показано на рис. 2.

л

л

л

М

л

ь

ь

л

Рис.2. Фізична модель формування сходинок під час втомленості. Приведені лінії рівного потенціалу.

На основі аналізу розробленої та побудованої фізичної моделі виведено таку формулу для приросту густини дислокацій:

де р0 - початкова густина; 5 - коефіцієнт розмноження; У0 -передекспоненційний множник; ио - енергія активації руху дислокацій; у -активаційний об'єм; т - прикладене напруження; тт - його амплітуда; о - кутова частота; к - стала Больцмана; Т - температура; ^0 та ^ - час початку та кінця дії напруження, вищого за критичне напруження дислокаційного руху.

Одержане рівняння (3) дозволяє обчислити густину дислокацій, що зростає в матеріалі в результаті одного циклу навантаження. Наступний цикл вже буде відрізнятися відповідно іншим, декілька більшим, значенням критичного напруження старту іб .

Рівняння були розв'язані нами чисельними методами за допомогою комп'ютера. Густину дислокацій було розраховано в кожному циклі. Початкова швидкість розмноження дислокацій в алюмінії дорівнювала р0=3,75хЮ7 см2 . Швидкість розмноження дислокацій була вибрана рівною сІр/сМ = 37,5 см'2 ■

(3)

цикл’1. Критерієм вибору указаних значень величин , були експериментальні літературні дані та " відповідність між нашими експериментальними та розрахунковими кривими р(М). Якщо ці величини відомі, немає необхідності знати значення ,6, Уо і и0. Були прийняті такі значення сталих'для алюмінію: ц = 2700 ГПа; Ь - 0,286 нм; у =Ь3; п=100; тт = 82 МПа; со = 5880 рад/с; Т=300 К.

Співвідношення між експериментальними точками та розрахунковими даними задовільне. Збільшення густини дислокацій погоджується із зменшенням роботи виходу електрону. Криві Ф(М) та р(И) являють собою дзеркальне відображення одна однієї (рис. 3). Щоправда формування дефектів кристаличної гратки та сходинок при втомленості до певного часу може бути зворотнім (крива 2). '

Прирощення роботи виходу з-за зростання густини сходинок може бути записане

гіФ = - А ц п, (4)

де Ф виражено в еВ; А - стала, що дорівнює 3,77x10'15 еВхсм2/0; ц -дипольний момент, поділений на міжатомну відстань в Р/см; п - щільність сходинок в см"1. ( 1 О = 3,34x10'32 Клхсм).

Рис.З. Залежність роботи виходу та густини дислокацій від числа циклів;

1 - А1; 2 - сталь ЗП866

Подальший аналіз свідчить, що швидкість утворення сходинок за цикл навантаження залежить від густини дислокацій та їх швидкості:

<іФ/с!Н = -2п А|хр3 V /(а Ь ), . , (5)

Для алюмінію з наших експериментальних даних сІФ / сІИ = - 1,67x10'7 еВ/цикл. ц = ехЬ/Ьх3.34х 10'32= 4,79 хЮ12 Б /см. Ь = Ь. Тоді швидкість дислокацій згідно (5) дорівнює 2,27хЮ'10 см/цикл. Це відповідає 2,12x10‘7 см/с. Швидкість розмноження дислокацій сІр/сІИ = 2я5У/ш. Ми можемо визначити коефіцієнт розмноження дислокацій: 5 = 4,41 см''/цикл. Отримуємо сіп/сШ = 318 східців х цикл'1 х см'1.

Проведені розрахунки носять оціночний характер.

ВИСНОВКИ

1. Запропоновано нову схему реєстрації . розсіяного рентгенівського випромінювання, що дозволяє збільшити вимірюваний подвійний кут Вульфа -Брегга до 177,6°. Поворот детектора в екваторіальній площині гоніометра, використання коліматора з відносно тонкою стінкою та застосування монохроматизованого Кр - випромінювання дають можливість підвищити точність вимірювань залишкових макроскопічних напружень майже на порядок.

2. Розроблена програма багатопланової автоматизованої обробки даних

рентгенодифрактометричних вимірів за допомогою зовнішньої ЕОМ. Програма забезпечує: .

• розрахунок кутового положення центру ваги інтерференцій;

• визначення інтегральної інтенсивності, висоти та ширини лінії;

• Фур'є-аналіз інтерференційного піка; розрахунок значень коефіцієнтів Фур’є розкладу інтерференційної функції;

• розрахунок значень залишкових напружень по результатам зйомки для декількох кутів нахилу зразка.

3. Безпосередніми вимірами на натурних деталях (робочих лопатках, замках, міжпазових виступах дисків) отримано, що обробка сталевими кульками в ультразвуковому полі ліквідує неоднорідність розподілу макронапружень. Рівень благосприятливих стискуючих поверхневих макроскопічних напружень залежить від маси робочих кульок, амплітуди їх коливань, матеріалу деталей і становить від мінус 370 до 750 МПа.

4. Отримано, що оптимальний розподіл залишкових напружень на поверхні лопаток забезпечується такими параметрами ультразвукової обробки: амплітуда коливань 80-100 км, діаметр сталевих робочих кульок 1,0-1,3 мм, час обробки 60-65 с. Встановлено, що ультразвукове зміцнення міжпазових виступів дисків сталевими кульками діаметром 1 мм на протязі 60 - 80 с дозволяє збільшити довговічність дисків компресора ГТД на 175 %.

5. Магнітно-абразивна обробка лопаток компресора забезпечує необхідні геометричні параметри деталей та дозволяє задовільнити вимоги до класу

поверхні. Знайдено, що магнітно-абразивна обробка лопаток у робочому середовищі, яке складається з суміші магнітно - абразивного порошку та феромагнітних тіл ( від 10 до ЗО % стшіевих кульок) є ефективніш новим методом одночасного полірування та підвищення втомлюваної міцності деталей. Зуміщення полірування та зміцнення в одному циклі дає можливість збільшити рівень благосприятливих залишкових напружень у 1,5 рази, покращити якість обробки та підняти продуктивність праці.

6. Опір втомленості замкових з'єднань робочих лопаток з диском суттєво залежить від значень статичного навантаження на хвостовик. Логарифм числа циклів до руйнування замку лінійно зменшується з ростом енергії коливань лопаток.

7. Наявність на поверхні металевих матеріалів шару органічних мастил не веде до деформації кристалічної гратки. Експериментально зсув центру ваги інтерференційних ліній, що спостерігається, в цьому випадку обумовлений поляризацією адсорбату на металевій поверхні.

8. Показано, що в процесі впливу на металеві матеріали знакозмінних напружень відбувається ріст густини дислокацій та вихід їх на поверхню. Цей процес супроводжується з'явленням поверхневих сходинок, які мають електричні диполі. Метод вимірювання роботи виходу електрона дає можливість прогнозування місця та часу зародження тріщин втомленості у високолегованих жароміцних сталях, що використовуються для виготовлення деталей газотурбінних двигунів. Проаналізована кількісна теоретична модель втомленості. Виконані оцінки параметрів, що визначають швидкість розмноження дислокацій, зростання числа сходинок при втомленості та зниження роботи виходу електрону.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНО В РОБОТАХ

1. Б.Л.Серпецкнй, Е.Н.Мартынов. Влияние ультразвуковой обработки на напряжённое состояние поверхностного слоя замковых соединений // Новые конструкционные материалы и эффективные методы их получения и обработки,-Сб. научн. трудов ЗМИ.- Киев.- 1988.- С. 118-119.

2. В.В.Левитин, С.В.Лоскутов, В.Н.Степаненко, Б.А.Серпецкий, Ю.С.Павлготкин. Магнито-абразивная обработка лопаток турбомашин // Новые конструкционные материалы, эффективные методы их получения и обработки, повышения надёжности и долговечности деталей машин и конструкций.- Сб. научн. трудов ЗМИ.- Киев,- 1991,- С. 22-25.

3. V.V.Levitin, S.V.Loskutov, M.I.Pravda, B.A.Serpeztky. Influence of cyclic stresses upon the electronic work function for the metal surface // Solid State Communications.- 1994.- Vol. 92.- P. 973-976.

4. В.В.Левитин, С.В.Лоскутов, М.И.Правда, Б.А.Серпецкий.

Тензоэмиссионный эффект при усталости металлических материалов // Сборник трудов международной научной конференции "Проблемы современного материаловедения".-Днепропетровск.- 1997. С. 103.

5. В.В.Левитин, С.В.Лоскутов, Б.А.Серпецкий. Исследование замковых соединений лопаток и дисков газотурбинных двигателей с применением резистометрии И Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні,-36. наук, праць ЗДТУ.- Запоріжжя,- №1, 1998.- С. 12-14.

6. С.В.Лоскутов, В.В.Левитин, Б.А.Серпецкий. О влиянии поверхностных органических плёнок на результаты рентгенодифракто-метрического анализа напряжений в металлах // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні.- 36. наук, праць ЗДТУ,- Запоріжжя.- 1998, №1. - С. 14-16.

7. Б.А.Серпецкий, С.В.Лоскутов, В.В.Левитин, В.К.Манько. Повышение точности и производительности рентгенодифрактометрических измерений макроскопических напряжений // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. Физические методы исследования и контроля. - 1998, №3. - С. 28-31.

8. В.В.Левитин, С.В.Лоскутов, Б.А.Серпецкий. О физическом механизме развития усталостных процессов. // Вісник Запорізького державного університету. Фізико-математичні науки і біологічні науки. - 1999, № 1. - С. 135138. — підготовка зразків.

9. С.В.Лоскутов, В.В.Левитин, В.К.Манько, Б.А.Серпецкий, Ю.С.Павлюткигі. Установка и методика испытаний образцов на усталость с одновременным измерением работы выхода электрона // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. Физические методы исследования и контроля. - 1999, № 7. - С. 43-45.

АНОТАЦІЯ

Серпецький Б.О. Дослідження залишкових напружень та структури поверхні металів в умовах дії знакозмінних навантажень. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.13 - Фізика металів. - Запорізький державний університет, Запоріжжя, 1999 р.

Мета роботи полягала у вдосконаленні фізичних методів та дослідженні розподілу залишкових напружень у відповідальних деталях ГТД, а також у вивченні механізму їх втомленості. Об'єктом дослідження були натурні деталі (лопатки, замки, диски тощо), виготовлені із сплавів титану та жароміцних сталей, а також алюміній. Використовувалися методи: ретгенівської

дифрактометрії, вимірювання опору втомленості, резистометричний, виміру роботи виходу електрону. Запропоновано нову схему дифрактометрії та нову програму обробки даних, що дозволило підвищити точність вимірів на порядок.

Знайдено, що обробка деталей сталевими кульками в ультразвуковому полі

забезпечує стискуючі залишкові напруження від мінус 370 до мінус 750 МПа та значно підвищує довговічність та опір втомленості. Експериментально доведено, що метод визначення роботи виходу електрону мас прогнозуючі можливості щодо місця та часу зародження тріщин втомленості. Розроблено фізичну кількісну модель розвитку процесів втомленості. Результати розрахунків задовільно погоджуються з експериментом.

Ключові слова: залишкові напруження, рентгенівська дифрактометрія, лопатки, сплави, зміцнення, втомленість, прогнозування, робота виходу, фізичний механізм, дислокації, сходинки.

АННОТАЦИЯ

Серпецкий Б.А. Исследование остаточных макронапряжений и структуры поверхности металлов в условиях действия знакопеременных нагрузок. -Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата физикоматематических наук по специальности 01.04.13 - физика металлов! -

Запорожский государственный университет, Запорожье, 1999 г.

Целью работы было усовершенствование физических методов и изучение распределения остаточных макроскопических напряжений в ответственных деталях ГТД, а также изучение механизма их усталости. Объектом исследования были натурные детали (лопатки, замки, диски и др.) изготовленные из сплавов титана и из жаропрочных сплавов, а также алюминий. Использовались методы: рентгеновской дифрактометрии, измерения сопротивления усталости, резистометрический, измерения работы выхода электронов.

Предложена новая схема регистрации рассеянного рентгеновского излучения, позволяющая увеличить измеряемый предельный угол Вульфа-Брэгга до 177,6°. Поворот детектора в экваториальной плоскости гониометра, применение коллиматора с относительно тонкой стенкой и использование монохроматизированного Кр-излучения дают возможность повысить точность измерений межплоскостных расстояний и остаточных макроскопических напряжений почти на порядок. Разработана программа многоплановой автоматизированной обработки данных рентгенодифрактометрических измерений с помощью внешней ЭВМ. Программа обеспечивает:

• расчёт углового положения центра тяжести интерференционных линий;

• определение интегральной интенсивности, высоты и ширины линии;

• Фурье - анализ интерференционного пика; вычисление значений коэффициентов Фурье разложения интерференционной функции.

• вычисление значений остаточных напряжений по результатам съёмки под несколькими углами наклона образца.

Непосредственными измерениями получено, что обработка стальными шариками в ультразвуковом поле ликвидирует неоднородность распределения макронапряжений. Уровень благоприятных сжимающих поверхностных макроскопических напряжений зависит от массы рабочих шариков, амплитуды их колебаний, материала деталей и составляет от минус 370 до 750 МПа.

Оптимальное распределение остаточных напряжений на поверхности лопаток обеспечивается такими параметрами ультразвуковой обработки: амплитуда колебаний 80 - 100 мкм, диаметр стальных рабочих шариков 1,0 - 1,3 мм, время обработки 60 - 65 с. Установлено, что ультразвуковое упрочнение межпазовых выступов дисков стальными шариками диаметром 1 мм в течение 60

- 80 с позволяет увеличить долговечность дисков компрессора ГТД на 175 %.

Магнитно - абразивная обработка лопаток компрессора обеспечивает необходимые геометрические параметры деталей и позволяет удовлетворить требования к классу прверхности.

Найдено, что магнитно - абразивная обработка лопаток в рабочей среде, состоящей из смеси магнитно-абразивного порошка и ферромагнитных тел (например, от 10 до 30 % стальных шариков) является эффективным новым методом одновременной полировки и повышения усталостной прочности деталей. Совмещение полировки и упрочнения в одном цикле даёт возможность увеличить уровень благоприятных остаточных напряжений в 1,5 раза, улучшить качество обработки й поднять производительность труда. Усталостная прочность замковых соединений рабочих лопаток с диском существенно зависит от значений статической нагрузки на хвостовик. Логарифм числа циклов до разрушения замка линейно уменьшается с ростом энергии колебаний лопаток.

Наличие на поверхности металлических материалов слоя органических смазок не приводит к деформации кристаллической решётки. Экспериментально наблюдаемый сдвиг центра тяжести интерференционных линий в этом случае обусловлен поляризацией адсорбата на металлической поверхности.

Показано, что в процессе воздействия на металлические материалы знакопеременных напряжений происходит рост плотности дислокаций и выход их на поверхность. Этот процесс сопровождается появлением поверхностных ступенек, которые обладают электрическим диполем. Найдено, что метод измерения работы выхода электрона даёт возможность прогнозирования места и времени зарождения трещин усталости в высоколегированных жаропрочных сталях, применяемых для изготовления деталей газотурбинных двигателей. Проанализирована теоретическая модель усталости. Выполнены теоретические оценки параметров, определяющих скорость размножения.

Экспериментально доказано, что метод определения работы выхода электрона обладает прогнозирующими возможностями относительно места и времени образования трещин усталости. Разработана физическая количественная модель развития усталости. Результаты расчётов удовлетворительно согласуются

с экспериментом. -----

Ключевые слова: остаточные напряжения, рентгеновская дифракгометрия, лопатки, сплавы, упрочнение, усталость, прогнозирование, работа выхода, физический механизм, дислокации,ступеньки.

ABSTRACT

Serpetzky В.Л. Investigation of Residual Stresses and Structure of Surface in Metal Materines in Conditions of Alternating Loads. - Manuscript.

Thesis for the candidate of physical and mathematical sciences degree for speciality 01.04.13 -Physics of Metals. Zaporozhye State University, Zaporozhye, 1999. '

The aim of work was an improvement of physical methods and investigation of residual stresses in highly loaded gas-turbine parts. The mechanism of fatigue was studied too. Objects of study were real parts (blades, slots and disks). Parts were manufactured of titanium-based alloys and of heat-resistant steels. X-ray difractometric method was used as well as study of the resistance against fatigue. Resistometric and work function measurements were applied. The new scheme of X-ray survey was proposed and new program of data calculations was worked out. The accuracy was increased by one order. The residual compressed stresses of minus 370 to minus 750 MPa were ensured. It had improved the reliability and durability of parts. It was proved that the method of work function measurements had forecast possibilities as for place and time the cracks generation. An quantitative physical model of fatigue was worked out. The results of calculations agree with experiments.

Key-words: residual stresses, X-ray difractometrv, blades, alloys, hardening, fatigue, forecast, work function, physical mechanism, dislocations, steps.