Ниже на примере жаропрочного сплава ЭИ437БУ показаны некоторые закономерности разупрочнения металла поверхност ного слоя в процессе высокотемпературных испытаний. Темпера тура испытания (750°С) была выбрана исходя из рекомендаций для этого материала [11 и реальных условий работы деталей на изделиях; образцы испытывались при остаточных напряжениях 13 кг/мм2в течение 500 час (напряжения и время испытания также выбирались исходя из эксплуатационных условий).
Перед испытанием на жаропрочность на поверхности плос ких образцов были наведены различные по знаку и глубине зале гания остаточные напряжения и различный по глубине и степе ни наклеп. При этом были использованы как методы обработки (полирование, шлифование, точение), так и специальные методы упрочнения — дробеструйная обработка и обкатка роликами. Исследование влияния режимов точения на состояние поверхно стного слоя проводилось на специальных образцах, изготовленных из втулок по их образующей, внешний диаметр которв1х обра батывался по необходимому режиму. При этом втулки, изготов ленные точением, обрабатывались на трех скоростях резания: ниже оптимальной, оптимальной и выше оптимальной скорости.
Исследование характеристик качества поверхностного слоя проводилось как до испытания, так и после испытания образцов на жаропрочность.
Изменение напряженности поверхностного слоя в процессе высокотемпературных испытаний
Исследование остаточных напряжений до и после высокотем пературных испытаний производилось механическим методом. С поверхности образцов, испытанных на жаропрочность, перед определением остаточных напряжений проводилось снятие окисной пленки в специальной ванне электролитическим путем в рас плаве щелочей при Т = 450°С.
Величина и характер эпюры остаточных поверхностных на пряжений на образцах до испытания приведены на рис. 15.1. Как видно из приведенных данных, в поверхностном слое образ цов различными методами обработки удалось создать самые различные по величине и глубине залегания остаточные напряже ния. Например, шлифованием и точением в I-м горизонте были: наведены напряжения растяжения от 14 кг/мм2 до 65 кг/мма’ с глубиной залегания 38-f-72 мкм\ ручным полированием, обкат кой роликами и дробеструйной обработкой созданы сжимающие остаточные напряжения 42-^54 кг/мм2 с глубиной залегания более
200 мкм.
На рис. 15.2 приведены эпюры остаточных напряжений, полу-, ченных с таких же. образцов,, но после длительных высокотем пературных испытаний. Эти данные показывают, что, в процессе
Мн/м г КГ/-
S 8 S # 1
' ь
к90 |
5 0 |
\ |
\ |
392 |
|
о |
кО Л«*ч \ |
2 9 ч |
3 0 |
|
а-аручн ое оооироВание /В^Р
о-о ичлидсеЗо* *алнен ( Sap 3)
*-* т о ч е н и е К - /З^/нин/Варр/
• - • т очение И: 23н/ли* fS ap k j
Ф-ф точение V-к?н/нин/8&р- 6 /
д- д о 5 9 у ё к а д р о б ь но ('Sap.7)
а-а о б л а т к а ро/>ихон/5ар.З)
1
/99 |
£0 ( |
\ |
\ |
|
|
|
|
|
90 |
/О V - J VI |
— |
|
S„»— Ф“” |
|
О |
О |
|
/ |
о а |
|
>— —д «X» |
-98 |
|
|
1 |
|
|
-10 |
|
|
|
ip i'* |
/ |
|
-/93 |
-20 |
/ |
_ |
|
|
А |
|
|
- т |
■30 L |
L . |
|
А*" |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- 3 9 2 |
-кО |
|
и |
|
|
|
|
|
-к92 |
■SO ^ |
V |
|
|
Расстояние 07 ooSepxvocn; |
■580 |
•во |
|
|
|
|
|
кО |
8 0 |
А20 |
/ВО |
200 jrtic/r |
|
|
|
Рис. 15.1. Остаточные поверхностные напряжения на образцах из сплаваЭП437БУ перед испытанием на жаропрочность (обозначение вариантов в соответствии с табл. 15.1)
длительных испытаний в поверхностном слое произошли сущест венные изменения с точки зрения остаточной напряженности. Независимо от знака и величины напряжений, обусловленных технологией изготовления,на всех образцах после испытания обнаружены только сжимающие напряжения [2]. Наличие только сжимающих напряжений и отсутствие связи этих напряжений с исходными указывает на различную природу их образования. Механизм образования сжимающих напряжений носит термический характер и связан с различием физико-механических свойств металла поверхностного слоя и основной массы образца. Об из менении свойств свидетельствует изменение параметра кристал лической решетки по глубине поверхностного слоя (рис. 15.3).
Приведенные на рис. 15.2 и 15.4 экспериментальные данные показывают, что основным фактором, определяющим величину1
■Mh/mz
|
|
|
Л--- |
|
|
|
о— |
■ев |
|
|
обрати» 6ь/.ли иj готовлены |
|
|
- о - о - |
|
|
|
зле/сгроаолиро&а/яиег1 /Sop.■/} |
|
|
|
руинытг oo/ropoS'a/vue/x/Sap^ |
- т |
-го |
к-л—л. т очением / остр. 9 ) |
- < Q - O v |
т-оченнвгт/вор.£ > ) ~ |
■о- -■- точтениео fSop.0}
-»—•- aSaferf/coO ePpoSino/Sop.7/
- * — * ■ игЛ осрованоат т /S o p . 3 )
|
-299 |
0 |
O' oS/сотжоо p am sx o o /S a p .S / |
|
Ю |
20 |
SO |
/О mcrr |
|
|
Рис. 15.2. Остаточные поверхностные напряжения после испытания на жаропрочность
термических напряжений, являются глубина и степень наклепа (данные по наклепу приведены в табл. 15.1). Независимо от зна ка технологических напряжений с увеличением исходной глубины и степени наклепа наблюдается повышение (по величине и глубине залегания) термических напряжений. Так, например, на электрополированном образце остаточные термические напряжения прак тически отсутствуют (не более 2 кг/мм2); последовательное увели чение наклепа полированием, шлифованием, точением, обдувкой дробью и обкаткой роликами приводит к образованию все воз растающих по величине и глубине залегания термических напря жений. Максимальные сжимающие напряжения (—27 кг/мм2) об наружены на обкатанных роликами образцах, имеющих самый
•большой наклеп. По-видимому, чем больше глубина и степень наклепа, тем интенсивнее протекают окислительные и диффузион ные процессы, тем быстрее и на большую глубину происходит изменение физико-механических свойств поверхностного слоя, тем больше величина и глубина залегания возникающих при этом термических напряжений. Неслучайным является, таким образом, тот факт, что на образце, обточенном по оптимальному режиму,
•обнаружены меньшие по величине термические напряжения по ■сравнению с другими режимами точения, поскольку оптимальный режим, как это было показано выше, обеспечивает меньшую глу бину и степень наклепа.
С О
829 Заказ П
методом):
1 — образец до испытания был электрополирован (вариант 1), 2 — образец шлифован (вариант 3) \3 — образец обкатан роликами (вариант 8)
Рис. 15.4. Влияние степени (а) и глубины (б) исходного наклепа на мак симальное значение термических напряжений (цифрами указаны номера вариантов обработки образцов в соответствии с табл. 15.1)
Отсутствие связи между термическими и исходными напряже ниями может быть объяснено быстрой релаксацией последних.
Значение максимальной величины остаточных термических напряжений в зависимости от исходной глубины и степени наклепа применительно к указанным условиям испытания сплава ЭИ437БУ может быть выражено следующими уравнениями:
ат |
= 0,944 /10.5/ |
т ш ах |
’ |
с ’ |
0Х |
=0,054 У1’6. |
В заключение следует указать на ряд специфических осо бенностей термических остаточных напряжений. Образование именно сжимающих напряжений является особенностью сплавов на никелевой основе, при нагреве которых коэффициент линейно го расширения окисленного поверхностного слоя приобретает меньшее значение по сравнению с исходным металлом. Поэтому при охлаждении поверхностные слои образца сжимаются в мень шей степени, чем основная масса металла. В результате в них возникают сжимающие напряжения. Известно, что после дли тельного нагрева других материалов, например, чистого никеля, хрома, титановых сплавов, в поверхностном слое образуются на пряжения растяжения, что связано со специфическими свойствами поверхностных окисленных слоев этих материалов. Возникнове нию термических сжимающих напряжений в поверхностных слоях при окислении может сопутствовать также явление «разбухания» этих слоев за счет спефицики диффузионных процессов, связанных с селективным окислением материала.
Особенностью термических напряжений является постоянное их изменение по величине при изменении температуры детали. Термические напряжения являются сжимающими, если темпера.
