Рис. 15.14. Влияние температуры нагрева и времени испытания на величину максимальных тангенциальных напряжений на образцах сплава ЭИ437БУ
ЗИ437БУ до температуры 700°С приводит к резкому снижению остаточных напряжений в поверхностном слое [7]. Так, например, лри 0 = 700°С после двух часов выдержки тангенциальные оста точные напряжения уменьшились с 84 кг/мм2 до 40 кг/мм2, т. е. более чем в 2 раза. Нагрев образцов при этой температуре в тече ние 8 час практически снимает остаточные напряжения.
Еще более резкое снижение остаточных напряжений проис ходит при 0 — 750°С. В этом случае уже после 4 час испытания ■тангенциальные напряжения не превышают 11 кг/ммй при полном
•снятии осевых напряжений (рис. 15.13, 15.14).
Приведенные данные показывают, что в условиях высоких тем ператур в деформированном термодинамически неустойчивом металле поверхностного слоя релаксация напряжений происходит не только в результате ползучести материала. В действие вступает другой фактор, ускоряющий процесс релаксации. Таким фактором может быть диффузионный процесс, протекающий в напряженном пластически деформированном слое, интенсивность диффузии в котором в десятки раз выше, чем в недеформированном металле.
На специфический механизм релаксации остаточных поверх ностных напряжений, связанный не только с ползучестью метал-
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ла, но и с процессами |
диффузи |
|
|
онного характера, указывается в |
|
|
работах С. Т. |
Кишкина и А. И.Са |
|
|
мойлова, где установлено, |
что |
|
|
для сплава ЭИ437Б |
остаточные |
|
|
напряжения |
|
порядка |
-|-35-=— 50 |
|
|
кг/мм2 начинают сниматься уже |
|
|
при 0 300°С (а3 при 300°С равен |
|
|
62 кг/мм2) и при 0 — 700°С прак |
|
|
тически |
полностью |
снимаются, |
|
|
хотя предел |
текучести |
составляет |
|
|
59 кг/мм2 (рис. 15.15). |
|
|
|
|
|
На рис. 15.16 показаны резуль |
|
|
таты |
исследования |
и |
влияния |
|
|
температуры |
нагрева |
времени |
Рис. 15.15. Изменение а„гт, |
с0,2) |
испытания |
на микротвердость по |
верхностного |
слоя. |
Из прнведею- |
Зр для сплава ЭИ437Б |
в |
ных данных следует, что |
глубина |
зависимости от температуры |
нагрева (выдержка 2 часа) (по |
наклепа при всех |
вариантах на |
данным С. Т. Кишкина и |
грева |
образцов |
практически |
ос |
А. И. Самойлова) |
|
талась |
без |
изменения |
при неко |
|
|
тором снижении |
микротвердости |
|
|
поверхности. |
|
показывают |
ха |
Рассмотренные экспериментальные |
данные |
рактер изменения состояния поверхностного слоя под действием лишь одной температуры. Можно полагать, что под действием до полнительно рабочих напряжений будет происходить еще более
интенсивная |
релаксация остаточных |
напряжений. |
Например, |
в работе [8] |
показано влияние только |
циклических |
напряжений |
(при усталостных испытаниях) на релаксацию поверхностных напряжений (рис. 15.17). Видно, что уже после 100 циклов испыта ния остаточные напряжения могут снизиться от двух до семи раз (в зависимости от амплитуды напряжений).
По данным работы [91, на рис. 15.18 приведены закономерности изменения остаточных напряжений в процессе длительных и ус талостных испытаний сплава ЭИ437Б. Как видно из рисунка, практически полная релаксация остаточных напряжений в усло
виях статических |
и динамических напряжений происходит гари |
0° = 600СС. |
анализ данных по релаксации напряжений, |
Таким образом, |
позволяет заключить, что применительно к сплаву ЭИ437БУ интенсивная релаксация поверхностных напряжений начинается при температуре 500н-600°С [7, 9, 10]. Более высокие эксплуата ционные температуры (до 750°С) с одновременным действием рабо чих напряжений приводят к релаксации остаточных напряжений в. первые же часы (или минуты) работы изделия (или испытания об разца). Этим, по существу, и объясняется отсутствие взаимосвязи между величиной и знаком исходных остаточных напряжений, и
Рис. 15.16. Влияние температуры и времени выдержки при нагреве на степень и глубину наклепа на образцах сплава ЭИ437БУ, обработанных резцом ВК6М по режиму: v = 34 м/мин; s = 0,08 мм/об;
а— Т — 700°С; б — Т = 750°С
Рис. 15.17. Релаксация |
остаточных |
Рис. 15.18. Остаточные напряжения |
напряжении в хромомолибденовой |
в сплаве |
ЭИ437БУ до |
испытания |
•стали при усталостных |
испытаниях |
(/), |
после |
усталостных |
испытаний |
48]. Амплитуды напряжения: 1—70; |
(2) |
и после длительных |
испытаний |
2—60; 3—50 ; 4—45 кг/мм* |
|
|
(3) [9] |
|
величиной разупрочненного дефектного слоя, образующегося при длительных испытаниях.
Глубина же наклепа поверхностного слоя при нагреве деталей из сплава ЭИ437БУ даже до температур 800ч-850°С практически остается без изменения. При этом некоторое снижение твердости поверхности и приближение ее к твердости сердцевины не означает восстановления свойств материала поверхности до уровня свойств исходного металла, а лишь свидетельствует о начале процесса раз упрочнения материала поверхностного слоя.Постепенное разупроч нение деформированного металла поверхностного слоя в процессе длительной высокотемпературной эксплуатации и обусловливает взаимосвязь между величиной дефектного разупрочненного слоя
иисходной величиной наклепа поверхности.
ЛИ Т Е Р А Т У Р А
1.X и м у ш и н Ф. Ф. Жаропрочные стали и сплавы. М., «Метал лургия», 1964.
2.М а к а р о в А. Д., М у х и н В. С. О взаимосвязи характеристик качества поверхностного слоя и эксплуатационных свойств деталей изжаропрочных материалов. В сб.: «Влияние методов и режимов чистовой обработки на эксплуатационные свойства деталей машин», ч. 1, Л., ЛДНТП,
1969.
3. Г о р е л и к С. С., Р а с т о р г у е в Л. Н., |
С к а к о в Ю. А. |
Рентгенографический и электроннооптнческий анализ. |
М., «Металлургия»,. |
1970- 4. М а к а р о в А. Д., М у х и н В. С., Т у р к о в Б. В., С а в а
т е е в В. Г. О взаимосвязи исходных и конечных (после длительной высо котемпературной эксплуатации) характеристик качества поверхностного слоя деталей. В сб.: «Вопросы оптимизации процесса резания металлов»,.
Труды УАН, вып. 19, Уфа, |
1971. |
|
5. |
S m i g e l s k a s A . D., |
K u r k e n d a l l E . О. Tsans AIME. Techn. |
Piril., |
1946, № |
2071. |
|
№ 7. |
6. |
P f e i f f e r H., Archiv F. Eisenhiittenwesen, 1961, |
7. |
М у х и н |
В. С. К вопросу релаксации остаточных |
напряжений и |
наклепа. В сб.: |
«Вопросы оптимального резания металлов», |
Труды УАИ, |
вып. |
29, Уфа, |
1972. |
|
|
8.К е н н е д и Л . Д. Ползучесть и усталость в металлах. М., «Метал лургия», 1965.
9.Упрочнение деталей машин механическим наклепыванием. Труды совещания по упрочнению деталей машин. М., «Наука», 1965.
10.С у л и м а А. М. Качество поверхностного слоя и усталость жаро
прочных материалов и деталей авиационных двигателей. Автореферат дис сертации. М., 1969.
ГЛАВА XVI
ВЛИЯНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ НА ДЛИТЕЛЬНУЮ И УСТАЛОСТНУЮ ПРОЧНОСТЬ
ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ
Разрушение деталей в эксплуатации, как правило,начинается" с поверхности [1, 2, 3]. Это происходит в результате того, ч т о б большинстве случаев поверхностные слои оказываются наиболее напряженными при всех основных видах напряженного состояния. Указанные слои, кроме того, подвергаются активному воздействию внешней среды — коррозии, эрозии и .т .д. Поэтому естественно огромное значение, которое имеет состояние поверхностного слоя для надежной работы деталей.
Влияние шероховатости поверхности на долговечность деталей (особенно на усталостную прочность) наиболее изучено по срав нению с другими параметрами качества поверхностного слоя. Микронеровности обработанной поверхности как технологическиеконцентраторы напряжений будут снижать усталостную прочностьпри любой температуре, поэтому поверхности деталей для уве личения долговечности (усталости) обычно доводят до высокого" класса чистоты. В работе [4] установлена следующая зависимостьмежду пределом усталости и средним арифметическим отклонением. профиля Ra:
Значения коэффициента А и показателя степени а применительно к жаропрочным сплавам на никелевой основе в диапазоне исследо ванных температур 500-г-900°С приведены в табл. 16.1.
Из табл. 16.1 следует, что сопротивление усталости зависит не только от величины неровностей поверхности, но и от их направления.
Влияние наклепа и напряжений на долговечность изучено в; меньшей степени. Причем большинство исследований касается обычных конструкционных материалов. Установлено, что растя гивающие напряжения снижают усталостную прочность, напряже ния сжатия повышают ее.
Т а б л и ц а 16.1
Н а п р а в л е н н о н ер ов н остей |
на п о в ер х н о сти |
|
|
о тн оси тел ь н о оси |
о б р а зц а |
|
|
Вдоль |
26,73 |
— 0 , 0 2 2 |
Поперек |
24,63 |
— 0 |
,0 4 0 |
Произвольное |
25,65 |
— 0 |
,0 3 1 |
На основании выявленных закономерностей между состоянием поверхности и прочностью материала внедряются эффективные мето ды упрочнения деталей машин— обдувка дробью, обкатка роли ками, виброгалтовка и др. [5, 6, 7]. Однако эти виды упрочнения применимы главным образом для повышения усталостной проч ности деталей, работающих в условиях нормальных температур. Что касается жаропрочных сплавов, работающих в условиях вы соких температур, то в настоящее время пока еще нет рекоменда ций, позволяющих на основании известной температуры эксплуата ции, ресурса и рабочих напряжений назначить тот или иной ва риант технологии изготовления детали.
Отсутствие упомянутых рекомендаций сдерживает проведение
мероприятий по совершенствованию |
технологических |
процессов |
и научно обоснованному внедрению |
технологических |
методов |
повышения надежности и долговечности изделий авиационной и космической техники.
Ниже приводятся результаты исследования долговечности (жаропрочности и усталости) жаропрочного сплава ЭИ437БУ в зависимости от характеристик качества поверхностного слоя.
Методика исследования
Образцами для определения тангенциальных напряжений слу жили кольца, для осевых напряжений — пластины, вырезанные из втулки. Кольца и втулки обрабатывались по необходимому ре жиму по наружному диаметру на разжимной оправке. По соответ ствующему режиму обрабатывалась и рабочая часть образцов, предназначенных для прочностных испытаний.
Образцы для испытания на жаропрочность были взяты с диа метром рабочей части 10 мм и общей длиной 114 мм согласно СМИ 205-54, а образцы на усталость— с диаметром рабочей части 9,48 мм по СМИ 209—54 (рис. 16.1). Температура как при испы тании на жаропрочность, так и при усталостных испытаниях была принята 750°С. Нагрузка при длительных испытаниях во всех
