Full Text

Введение Ресурсные показатели надежности различных деталей во многом определяются качеством поверхностных слоев, с которых, как правило, начинаются, например, усталостные разрушения конструктивных элементов. К основным параметрам качества поверхностных слоев относятся микрогеометрия, трибологические характеристики (износостойкость), микротвердость и приповерхностные технологические остаточные напряжения. После изготовления деталей используют широкий арсенал отделочных операций поверхности - шлифование, полирование, притирка, суперфиниширование и другие. В качестве заключительной операции часто используют полирование под давлением, которое благоприятно воздействует на структуру поверхностного слоя. В частности, происходит смыкание кристаллитов, разобщенных под действием предшествующей механической обработки, поверхностный слой уплотняется, острые кромки микронеровностей сглаживаются, а впадины и микротрещины затягиваются [1]. Но при любой отделочной технологии, во-первых, всегда остаются дефекты поверхности, во-вторых, в приповерхностном слое возникают технологические остаточные напряжения, которые в подавляющем числе случаев играют отрицательную роль и снижают ресурс деталей. Поэтому их нужно учитывать в расчетной практике, поскольку они «накладываются» на «рабочие» напряжения в процессе эксплуатации, либо использовать «контртехнологии», которые нивелируют эти напряжения, например, методы поверхностного пластического деформирования (ППД). При использовании ППД происходит сглаживание шероховатостей, смятие гребешков, уменьшение глубины и остроты входящих углов рисок, и самое существенное, в приповерхностном слое возникают сжимающие остаточные напряжения, которые повышают сопротивление усталости, что проиллюстрировано в огромном количестве работ за более чем семидесятилетнюю историю развития этого научного направления. Особую роль упрочняющие обработки поверхности играют для авиационных элементов конструкции, где наряду с требованиями высокой надежности ключевым является требование снижения веса и материалоемкости. Одним из путей их выполнения (в совокупности с увеличением прочности) и являются методы поверхностного пластического деформирования. Одним из важных элементов летательных аппаратов являются трубопроводы авиационных пневмогидросистем и другого технологического назначения. Надежность трубопроводов зависит не только от совокупности эксплуатационных нагрузок, но и от технологии их изготовления и последующих технологических операций «упрочнения» поверхностного слоя [2, 3]. Отметим, в частности, что опыт эксплуатации тонкостенных авиационных трубопроводов свидетельствует о том, что усталостные трещины образуются как на наружной, так и на внутренней поверхности [2, 3]. Отсюда следует, что в подобного рода деталях оправданным является поверхностное пластическое упрочнение обеих поверхностей, внутренней и внешней, на которых тем самым создаются «благоприятные» зоны со сжимающими остаточными напряжениями, препятствующие возникновению и развитию трещин. На современном уровне развития механики упрочненных конструкций разработан широкий спектр соответствующих технологий, но чаще всего используется пневмо- и гидродробеструйная обработка [4, 5], а также дробеструйная обработка в сочетании с ультразвуком - ультразвуковое (механическое) упрочнение дробью с малой амплитудой и высокой частотой в специальных контейнерах [6-12]. В публикациях [13-17] представлены результаты исследований, позволяющие оценить распределение остаточных напряжений по толщине упрочненного слоя при единичном ударе шара (дроби) о плоскость в упругопластической постановке. Существенно возросшие возможности вычислительных технологий позволили в ряде работ реализовать прямое математическое моделирование технологических процессов обработки поверхности дробью с оценкой полей возникающих напряжений и деформаций на основе численного решения достаточно сложных динамических упругопластических задач [18-27]. Рассмотренные численные методы рассчитаны на «идеальные» (с математической точки зрения) условия процесса упрочнения. Для реальных же промышленных технологий упрочнения дробью данные методы могут дать лишь качественную картину для полей напряжений и деформаций вследствие стохастического характера процесса упрочнения (многократные хаотические столкновения шариков с обрабатываемой поверхностью, угол их падения, скорость соударения и т.д.). Одной из теоретических (и не решенных в полном объеме) проблем является реконструкция напряженно-деформированного состояния после упрочнения. Важность этой проблемы состоит в том, что без этой информации невозможно решать задачи прочности деталей в условиях эксплуатации, поскольку на начальные остаточные напряжения и деформации накладываются «рабочие» эксплуатационные напряжения. Кроме отмеченных выше работ, базирующихся на решении динамических контактных краевых задач в упругопластической области, отметим еще одно направление теоретических исследований, основанное на волевом задании закона распределения пластической деформации в упрочненном слое. Истоки этого метода расчета по первоначальным деформациям восходят к работе [28], а в настоящее время он получил развитие в ряде работ [29-32]. Использование аналогии между остаточными пластическими деформациями и температурными деформациями в неоднородном температурном поле, которое задается волевым решением, позволяет свести исходную задачу к проблеме термоупругости, решение которой в современных вычислительных комплексах не вызывает никаких затруднений. Серьезный недостаток данного метода состоит в том, что экспериментально определить остаточные пластические деформации невозможно. Поскольку теоретически решить данную задачу о реконструкции полей остаточных напряжений и деформаций практически невозможно, то необходим какой-то минимум экспериментальной информации о некоторых компонентах тензора остаточных напряжений. Поэтому в настоящей работе используется феноменологический подход, предложенный для цилиндрических изделий [33] и получивший дальнейшее развитие в работах [34-36]. При моделировании напряженно-деформированного состояния односторонне упрочненных с внешней поверхности полых цилиндрических образцов суть подхода заключается в том, что для определения нормальных компонент тензоров остаточных напряжений и необратимых деформаций необходимо иметь одну или две (в зависимости от технологии упрочнения) экспериментальные эпюры остаточных напряжений. Возможность определения приповерхностной остаточной пластической деформации позволяет оценить и остаточную микрогеометрию обработанной детали после упрочнения [37]. Отметим, что хотя вопросам упрочняющих технологий в отечественных и зарубежных исследованиях посвящена обширная литература, в ней можно найти единичные (в основном экспериментальные) работы, в которых содержатся сведения о двухстороннем упрочнении ППД тонкостенных прямолинейных трубопроводов малого диаметра, а теоретические методы реконструкции остаточных напряжений для этого типа упрочнения просто отсутствуют. В связи с вышеизложенным целью настоящей работы являются экспериментальные исследования и разработка на их основе методики расчета полей остаточных напряжений и пластических деформаций как при двухстороннем упрочнении дробью внешней и внутренней поверхности тонкостенных трубок мм из стали Х18Н10Т, так и в состоянии их поставки. 1. Экспериментальное и теоретическое исследование распределения остаточных напряжений и деформаций в тонкостенных трубках из стали Х18Н10Т в состоянии поставки Все дальнейшие экспериментальные и теоретические исследования выполнены для прямолинейных трубок мм, как наиболее широко применяемых (по крайней мере в авиадвигателестроении). Данный конструктивный элемент является частью трубопроводов авиационных пневмогидросистем. Как уже отмечалось выше, в большинстве случаев объемные деградационные процессы разрушения материала, образование и развитие микротрещин наиболее интенсивно происходят в приповерхностных слоях деталей. Арсенал отделочных операций поверхности (шлифование, полирование, притирка, суперфиниширование и другие) в определенной мере способствует, например, повышению сопротивления усталости, снижению шероховатости и т.д., но при этом возникают технологические остаточные напряжения, которые во многих случаях играют отрицательную роль и снижают ресурс деталей. Поэтому их нужно либо учитывать в расчетной практике, поскольку они «накладываются» на «рабочие» напряжения в процессе эксплуатации, либо выполнять дополнительные технологические мероприятия по снижению отрицательных последствий от их наличия. В связи с этим в работе и поставлена задача экспериментального и теоретического исследования остаточных напряжений в прямолинейных трубках в состоянии поставки. Задача рассматривается в цилиндрической системе координат. Экспериментальное определение распределений и выполнено на кафедре «Сопротивление материалов» Самарского национального исследовательского университета имени академика С.П. Королева методом колец и полосок [28, 38, 39]. Из трубки вырезались достаточно широкое кольцо и полоска длиной (рис. 1). Кольцо разрезалось вдоль образующей. Сразу после вырезки у полосок измеряли прогиб (рис. 2, а), а у колец - изменение диаметра (рис. 3, а). Затем электрохимическим полированием (состав электролита: фосфорная кислота - 65 %, серная кислота - 20 %, дистиллированная вода - 15 %) производилось удаление слоев со стороны упрочнения (остальные части поверхности защищались лаком). Послойное травление материала (5-10 мкм) приводило к изменению диаметра в кольцах (рис. 3, б) и прогибов полосок где - расстояние от упрочненной поверхности до слоя, в котором вычисляли остаточное напряжение. Рис. 1. Схема вырезки кольца и полоски Fig. 1. The cutting scheme for preparation ring and axial strip specimens from a thin walled tube Величины и отсчитывались от состояния полоски или кольца до вырезки из трубки (штриховые линии на рис. 2 и 3). Толщина удаленного слоя измерялась в 10-15 точках, а результаты измерений усреднялись. В дальнейшем для глубины упрочненного слоя у внешней поверхности используется обозначение а для внутреннего упрочненного слоя - a б Рис. 2. Схема измерения прогиба полоски: а - после вырезки; б - после вырезки и удаления слоя толщиной h Fig. 2. The scheme of measuring the deflection of the strip: a is after cutting; b is after cutting and removing a layer of thickness h a б Рис. 3. Схема измерения перемещений кольца: а - изменение диаметра после вырезки; б - изменение диаметра после вырезки и удаления слоя толщиной h Fig. 3. The scheme of measuring the movements of the ring: a is changing the diameter after cutting; b is changing the diameter after cutting and removing a layer of thickness h Расчетно-экспериментальные зависимости для определения компонент тензора остаточных напряжений и приведены в работе [39] и имеют следующий вид: · при снятии наружных слоев : (1) (2) где в формулах (1) и (2) обозначено , · при снятии внутренних слоев (3) (4) где в формулах (3) и (4) обозначено В формулах (1)-(4) величина - центральный угол в вырезанной полоске; - модуль Юнга и коэффициент Пуассона; и - внутренний и внешний радиусы трубки; Н - толщина стенки, - экспериментально определяемые функции; - длина полоски. Таким образом, экспериментальные (а точнее, расчетно-экспериментальные) напряжения и определяются из систем уравнений (1) и (2) для внешнего слоя и из (3), (4) - для внутреннего слоя. На рис. 4 маркерами приведены вычисленные в соответствии с изложенной методикой расчетно-экспериментальные значения остаточных напряжений (точки) и (треугольники), Анализ представленных экспериментальных данных свидетельствует о достаточно больших значениях остаточных напряжений в приповерхностных слоях толщиной от 100 до 160 мкм в трубках, причем во внутреннем и внешнем слоях они противоположного знака. В частности, на внешнем контуре наблюдаются растягивающие остаточные напряжения, что приводит к «раскрытию» всех вакансий и способствует разрушению материала, а в конечном итоге вызывает ускоренное зарождение и раскрытие микротрещин, например в условиях многоциклового нагружения. а б Рис. 4. Экспериментальные (маркеры) и расчетные зависимости (сплошные линии) и (штриховые линии) в областях, прилегающих к внутренней (a) и внешней (б) поверхности Fig. 4. Experimental (markers) and calculated dependencies (solid lines) and (dashed lines) in the areas adjacent to the inner (a) and outer (b) surfaces Кроме этого, если никаких «компенсирующих» технологических операций для трубок в состоянии поставки не проводится, то при оценке ресурса этого конструктивного элемента остаточные напряжения нужно учитывать в расчетной практике в совокупности с эксплуатационными нагрузками. Отсюда возникает потребность в разработке математических моделей реконструкции остаточных напряжений для образцов в состоянии поставки. Для этой цели в настоящей работе предложен феноменологический метод расчета остаточных напряжений и необратимых деформаций при одновременном моделировании напряженно-деформированного состояния во внутреннем и внешнем приповерхностных слоях тонкостенных образцов в состоянии поставки (ниже он будет обобщен и на двухстороннее поверхностно-пластическое упрочнение трубок). Этот метод базируется на обобщении исследований [34-36], где предложен аналогичный подход к моделированию одностороннего упрочнения внешней поверхности полых цилиндрических образцов. Согласно [34-36] расчет ведется в цилиндрической системе координат. Краевая задача включает уравнения равновесия и совместности деформации, граничные условия, гипотезу несжимаемости материала, постулируемую связь между окружной и осевой компонентами тензора остаточных пластических деформаций вида (здесь и далее - феноменологический параметр анизотропии упрочнения [34]). Кроме этого, использовались гипотезы плоских сечений и отсутствия вторичных пластических деформаций в области сжатия материала в упрочненном слое. Основные расчетные формулы для определения остаточных напряжений и деформации в цилиндрической системе координат имеют следующий вид [34-36]: (5) где - модуль Юнга; - коэффициент Пуассона; - феноменологический параметр, Величина - это рассчитанная в соответствии с гипотезой плоских сечений осевая деформация, вызванная остаточными напряжениями. Из алгоритма (5) следует, что теоретические значения компонент тензора , и пластических деформаций в конечном итоге выражаются через компоненту , параметр модуль Юнга и коэффициент Пуассона, где - текущий радиус. Недиагональные компоненты тензоров остаточных напряжений и деформаций не рассматриваются, поскольку их величины (по модулю) почти на порядок меньше нормальных компонент [35]. В этой связи для реализации расчетной схемы (5) необходимо иметь аналитическую зависимость для компоненты на всей области интегрирования а экспериментальные данные для этой компоненты заданы лишь в тонких приповерхностных слоях толщиной 100-150 мкм (см. рис. 4). Для этой цели использована следующая функциональная зависимость для аппроксимации экспериментальных данных: (6) где и - параметры, подлежащие процедуре идентификации. Численные значения параметров зависимости (6) определяются из решения системы уравнений, образованной функциональными уравнениями (7) и условием самоуравновешенности окружных остаточных напряжений (8) где - значения радиуса, в которых достигаются локальные экстремумы и экспериментальной зависимости во внутреннем и внешнем приповерхностных слоях соответственно; и - значения радиусов, в которых экспериментальная эпюра остаточных напряжений принимает нулевые значения. Решение системы (7) и (8) осуществляется численно. После решения системы (7), (8) осуществлялась итерационная процедура уточнения параметров: найденные величины и были зафиксированы, а параметры и варьировались до достижения минимума функционала среднеквадратического отклонения расчетных и экспериментальных данных для . В результате получены следующие значения параметров аппроксимации (6): и Расчетные значения для зависимости (6) приведены на рис. 4 сплошными линиями. После построения аппроксимации для остальные компоненты тензора остаточных напряжений и необратимых деформаций рассчитываются по алгоритму (5), в котором фигурирует параметр Однако значение величины может быть получено лишь в результате апостериорного анализа задачи (в частном случае при схема (5) сразу дает решение задачи, при этом зависимости и практически совпадают [34, 35]), но для этого необходимо знать экспериментальную зависимость для в приповерхностном слое. Тогда при заданной зависимости (6) для варьируется величина при каждом ее значении реализуется схема (5) и рассчитывается теоретическая зависимость для Расчет заканчивается при достижении функционалом среднеквадратического отклонения между теоретическими и экспериментальными значениями осевых остаточных напряжений минимума. Реализация данного подхода применительно к экспериментальным данным, представленным на рис. 4, позволила вычислить значение величины В расчетах было принято МПа; На рис. 4 штриховой линией приведена рассчитанная зависимость соответствующая этому значению параметра. В целом наблюдается соответствие расчетных и экспериментальных данных для осевой и окружной компонент остаточных напряжений. 2. Реконструкция полей остаточных напряжений и пластических деформаций в тонкостенных трубках из стали Х18Н10Т после ультразвукового упрочнения внешней и внутренней поверхности Как следует из приведенных экспериментальных и теоретических исследований остаточных напряжений в трубках из стали Х18Н10Т в состоянии поставки, они имеют достаточно большие значения, причем на внешней поверхности они имеют положительный знак, а это отрицательно влияет на многие показатели надежности. Поэтому нужны дополнительные технологические операции по устранению наблюдаемых остаточных напряжений. Одним из подходов является поверхностное пластическое деформирование образцов в состоянии поставки. Поэтому дальнейшей целью работы являются анализ экспериментальных исследований и разработка на их основе феноменологического метода реконструкции полей остаточных напряжений и пластических деформаций при двухстороннем упрочнении виброударной обработкой внешней и внутренней поверхности тонкостенных трубок из стали Х18Н10Т той же партии, что рассматривались в первом разделе данной статьи. Виброударная обработка дробью - это широко используемый технологический способ упрочнения тонкостенных деталей [6-12]. Отметим, что если рассматривать затронутую научную проблему применительно к цилиндрическим изделиям, то в подавляющем числе работ анализу и теоретической интерпретации подвергаются результаты одностороннего упрочнения внешней поверхности полых цилиндрических образцов, например [34-36]. Виброударная обработка дробью трубопровода проводилась на специальном вибростенде, принципиальная схема которого представлена на рис. 5. К столу вибростенда 3 крепился цилиндрический контейнер 2, заполненный шариками диаметром 3 мм. Упрочняемая трубка из стали Х18Н10Т (1) заполнялась на 50 % шариками диаметром 1 мм и помещалась внутрь контейнера. Оси трубки и контейнера совпадали. Пространство между трубкой и контейнером на 80 % было заполнено шариками. Внутрь трубки устанавливались пробки (4), ограничивающие упрочненную зону. Для обеспечения равномерного упрочнения трубка в контейнере вращалась. Длина контейнера и упрочняемой трубки выбиралась так, чтобы собственная частота участка была значительно выше частоты стенда. Частота колебаний стенда - 18,5 кГц, время упрочнения - 20 мин. Рис. 5. Схема испытаний на вибростенде: 1 - упрочняемая трубка; 2 - контейнер; 3 - стол вибростенда; 4 - пробки Fig. 5. The scheme of testing at the vibrating stand: 1 - is the hardenable tube; 2 - is the container; 3 - is the table of vibrating stand; 4 - are the plugs Экспериментальное определение остаточных напряжений и после упрочнения выполнено методом колец и полосок - его технология и математическое обеспечение для его реализации подробно описаны в разделе 1 настоящей статьи. Расчетно-экспериментальные значения для окружной и осевой компонент тензора остаточных напряжений в областях, прилегающих к внутренней и внешней поверхностям трубок, полученные на основе (1)-(4), приведены маркерами на рис. 6. Анализ полученных экспериментальных результатов, представленных на рис. 6, позволяет сделать вывод, что упрочнение виброударной обработкой дробью обеспечивает возможность создать у внутренней и внешней поверхности «благоприятные» сжимающие остаточные напряжения значительной величины и нивелировать тем самым отрицательные последствия механической отделочной обработки поверхности трубки. Феноменологическая модель реконструкции напряженно-деформированного состояния после поверхностного пластического упрочнения повторяет изложенную в разделе 1 схему, базирующуюся на алгоритме (5) и аппроксимации (6) для окружной компоненты тензора остаточных напряжений, с сохранением методики идентификации параметров. В результате получены следующие значения параметров зависимости (6): и а б Рис. 6. Экспериментальные (маркеры) и расчетные зависимости (сплошные линии) и (штриховые линии) в областях, прилегающих к внутренней (а) и внешней (б) поверхностям трубки Fig. 6. Experimental (markers) and calculated dependences (solid lines) and (dashed lines) in the areas which are adjoined to the inner (a) and outer (b) surface of the tube Применение описанной в разделе 1 итерационной процедуры реализации алгоритма (5) до достижения минимума функционалом среднеквадратического отклонения расчетных и экспериментальных данных для позволило определить параметр анизотропии . Расчетные зависимости для остаточных напряжений и в приповерхностных внутреннем и внешнем слоях трубки приведены на рис. 6 сплошными и штриховыми линиями соответственно. В целом наблюдается соответствие расчетных и экспериментальных данных. Отметим, что полученное значение свидетельствует о существенной анизотропии распределения остаточных пластических деформаций и вдоль осей и , а это, в свою очередь, является причиной значительного отличия эпюр остаточных напряжений и . В качестве примера на рис. 7 приведена расчетная зависимость для радиальной компоненты тензора напряжений , значения которой по модулю на три порядка меньше значений компонент для и в зонах упрочнения материала с внешней и внутренней поверхности трубок. На рис. 8 представлено распределение осевой остаточной пластической деформации по толщине трубки Рис. 7. Расчетная зависимость для Fig. 7. The calculated dependence for Рис. 8. Расчетная зависимость для Fig. 8. The calculated Таким образом, и в случае поверхностного пластического деформирования одним значением параметра анизотропии описано напряженно-деформированное состояние во внешнем и внутреннем упрочненных слоях тонкостенных трубок. Это является убедительным подтверждением принятой гипотезы при построении феноменологической модели реконструкции полей остаточных напряжений и деформации в приповерхностных внешнем и внутреннем слоях как при технологических отделочных операциях поверхности трубок, так и после ППД. Заключение Разработан феноменологический метод реконструкции остаточных напряжений и деформаций после отделочных операций (состояние поставки) и после ППД внешней и внутренней поверхностей тонкостенных трубок. Выполнена экспериментальная проверка метода в обоих случаях на тонкостенных трубках из стали Х18Н10Т. Наблюдается соответствие расчетных (по феноменологической модели) и экспериментальных данных для окружной и осевой компонент тензора остаточных напряжений. В результате выполненных экспериментальных и теоретических исследований установлено, что в состоянии поставки в области, прилегающей к внутренней поверхности, наблюдаются сжимающие остаточные напряжения, а в слое на внешней поверхности - растягивающие напряжения. После виброударного упрочнения шариками в обеих областях наблюдаются только сжимающие напряжения, по модулю существенно превосходящие аналогичные напряжения для образцов в состоянии поставки.

About the authors

V. P Radchenko

Samara State Technical University

V. Ph Pavlov

Samara National Research University named after Academician S.P. Korolyov

T. I Berbasova

Samara State Technical University

M. N Saushkin

Samara State Technical University

References

Statistics

Views

Abstract - 459

PDF (Russian) - 372