Благоприятных сжимающих

Известно, что наличие поверхностного наклепанного слоя приводит к повышению усталостной прочности при нормальной температуре. Однако некоторые технологические ошибки операции наклепа могут привести к существенному снижению выносливости. Отмечались случаи возникновения благоприятных остаточных сжимающих напряжений на одной поверхности трубчатых деталей (лопастей вертолета) и неблагоприятных растягивающих на другой, при двустороннем наклепе растягивающие остаточные напряжения возникают в центре сечения. Поэтому необходима оптимальная степень наклепа. Анализ усталостных изломов деталей с наклепанным поверхностным слоем по расположению очага может указать на наличие неблагоприятной эпюры напряжений. Очень существенно снижается усталостная прочность наклепанных изделий после нагрева. Так, для алюминиевых сплавов нагрев при 180—200°С в течение 10 ч приводит к тому, что свойства наклепанных образцов становятся ниже ненаклепанных.

Специфической особенностью повреждения при малоцикловой усталости, отличающей ее от обычной усталости, является накопление односторонней макропластической деформации. Эта особенность сначала порождала сомнения в приемлемости поверхностного наклепа для увеличения несущей способности деталей, работающих в условиях малоцикловой усталости. Эти сомнения базировались на том, что ППД сопровождается уменьшением запаса пластичности наклепанного слоя, тогда как способность к накоплению пластической деформации является •одним из основных факторов, определяющих сопротивление малоцикловой усталости материалов и конструкций. По той же :причине ставилась под сомнение устойчивость благоприятных остаточных напряжений, вызванных поверхностным наклепом. Однако в результате ряда специальных исследований (применительно к сосудам давления, подштамповым плитам прессов, корпусам подводных лодок и др.) эти сомнения были преодолены. К настоящему времени накоплен большой экспериментальный материал, подтверждающий возможность применения поверхностного наклепа для увеличения несущей способности материалов в условиях малоцикловой усталости.

Повышение усталостной прочности связано с созданием в поверхностных слоях благоприятных остаточных внутренних напряжений. Принято различать три рода остаточных напряжений: 1-го рода — напряжения, которые уравновешиваются в пределах детали или участка ее поверхности; 2-го рода ^- напряжения, которые уравновешиваются в пределах отдельного зерна, и 3-го рода — напряжения, которые уравновешиваются в пределах кристаллической решетки. Усталостная прочность зависит от напряжений 1-го рода, именно их создает поверхностная пластическая обработка. Остаточные напряжения порождаются и термической обработкой и обработкой резанием. Однако получение остаточных напряжений не является целью указанных методов, они являются неизбежным, но побочным и часто нежелательным результатом воздействия нагрева и охлаждения при термической обработке, сил пластической деформации и нагрева при резании. При поверхностном пластическом деформировании в поверхностном слое формируются остаточные напряжения определенной величины и определенного знака. Обычно поверхностные слои деталей в работе испытывают напряжения растяжения.

Из приведенных выше данных видно, что эффективность упрочнения рабочих поверхностей деталей зависит от физико-механических свойств и структуры материала деталей, конструктивных и технологических концентраторов напряжений. Главным фактором, обусловливающим повышение прочности при переменных нагрузках, является наличие благоприятных остаточных напряжений сжатия в наклепанной зоне. Независимо от происхождения (термическое, механическое) остаточные напряжения сжатия оказывают преимущественное воздействие на задержку развития усталостных трещин [62, 63]. При этом (рис. 89) с ростом эффективности упрочнения увеличение предела выносливости происходит в результате задержки развития усталостных трещин. При поверхностном пластическом деформировании вы-

Высокий эффект поверхностного наклепа исследованных алюминиевых сплавов (и особенно образцов с концентраторами напряжений) наблюдается вследствие проявления благоприятных остаточных сжимающих напряжений, вызванных поверхностным наклепом. Проведенные опыты с равномерно наклепанными (по

Уменьшение неблагоприятного влияния остаточных напряжений на прочность и несущую способность готовых конструкций. Применяют несколько методов обработки конструкций, сущность которых состоит в перераспределении остаточных напряжений и наведении в наиболее опасных с точки зрения прочности местах благоприятных остаточных напряжений.

Исследование влияния поверхностного наклепа на усталостную прочность различных деталей, а также сварных соединений показывает высокую эффективность этого метода — увеличение сопротивления усталости и уменьшение воздействия неблагоприятных остаточных напряжений.

ный нагрев детали при помощи кислородно-ацетиленовой горелки до 700° С. В результате этой операции происходит перераспределение остаточных напряжений и появление в районе сосредоточенного нагрева новых тепловых остаточных напряжений, распределение которых по детали в зависимости от положения зоны нагрева бывает весьма разнообразным. Однако во всех случаях в наиболее опасном месте концентрации остаточных напряжений необходимо добиться возникновения благоприятных остаточных напряжений сжатия.

По данным И.В.Кудрявцева у гладких обкатанных образцов из нормализованной стали 40 предел выносливости примерно на 2/3 возрастает за счет собственно упрочнения и на 1/3 — за счет остаточных напряжений. Остается, однако, невыясненным, почему несмотря на интенсивную релаксацию благоприятных остаточных напряжений i сжатия уже в первом деформированном периоде разрушение образцов при амплитуде напряжений, равной пределу выносливости, не происходит даже при большой базе

Одним из эффективных способов повышения ресурса элементов конструкций с геометрическими концентраторами напряжений в условиях, когда изменение геометрии или размеров сечения детали нежелательно, является уцрочненже, создающее поля благоприятных остаточных напряжений. Кроме методов поверхностного упрочнения [l], в СССР [2] и за рубежом [3] в последние года используют методы местного глубокого пластического деформирования (МПЩ).

При знакопеременной нагрузке влияние сварочных напряжений на прочность конструкции зависит от ряда факторов. Они практически не влияют на циклическую прочность конструкции в том случае, если материал находится в вязком состоянии и если в изделии отсутствуют конструктивные и технологические концентраторы напряжений. Сварочные напряжения могут снижать циклическую прочность при наличии повышенной концентрации напряжений, особенно в конструкциях из материала с пониженными пластическими свойствами. В то же время усталостная прочность может быть повышена созданием в конструкциях при помощи различных технологических процессов благоприятных остаточных напряжений. При анализе условий работы конструкции со сварочными напряжениями необходимо также учитывать, что в наиболее распространенных сварных соединениях из малоуглеродистой и низколегированных перлитных сталей участки шва и прилегающей к нему зоны термического влияния, где действуют напряжения растяжения., являются более прочными. 60

Анализ полученных данных показывает, что влияние огрубления поверхности и стеснения пластической деформации, по-видимому, компенсируется в этом случае воздействием возникших при напылении благоприятных сжимающих напряжений, величина которых может быть достаточно высокой [246]. Нанесение ионно-плазменного покрытия не ухудшает трещиностойкости образца, значения, определенные для различных обработок, примерно одинаковы

Пневмодинамическая камера для упрочнения сварных швов трубопроводов. Предназначена для местного упрочнения сварных швов изогнутых длинномерных трубопроводов в целях ликвидации в поверхностном слое сварного шва возможных растягивающих остаточных напряжений, создания благоприятных сжимающих остаточных напряжений, повышения прочностных характеристик.

Глубина распространения благоприятных сжимающих остаточных напряжений несколько превосходит толщину наклепанного слоя, а величина их достигает высоких значений. Так, осевые остаточные напряжения в обкатанных валах диаметром 240 мм достигают в поверхностных слоях 730 Мн/м2 (75 /е/Улш2), а окружные 312 М«Аи2 (32 кГ/мм2) при глубине залегания 17—18мм [78].

Приведенные выше данные свидетельствуют о том, что поверхностная закалка с индукционным нагревом может приводить к образованию в поверхностном слое благоприятных сжимающих напряжений. При этом применение поверхностной закалки является эффективным средством повышения усталостной прочности стальных деталей. Особенно эффек-

Для получения благоприятных сжимающих остаточных напряжений пользуются различными способами механического наклепа. А. И. Исаев и С. С. Силин для определения напряжений на поверхности детали предложили следующую формулу:

Уменьшение плотности и связанное с этим появление благоприятных сжимающих остаточных напряжений только способствует повышению выносливости деталей, а решающим фактором остается структурная прочность самого металла. Повышение выносливости гладких образцов из стали 40 примерно на '/з происходит из-за благоприятного действия остаточных напряжений [33].

Роль остаточных напряжений в сопротивлении усталости сварных соединений резко увеличивается с ростом концентрации напряжений. В этих случаях остаточные напряжения могут изменять величину пределов выносливости в несколько раз как в сто-, рону повышения (при благоприятных сжимающих остаточных напряжениях), так и в сторону понижения (при неблагоприятных j остаточных напряжениях). Долговечность сварных соединений' может изменяться при этом в десятки раз.

повышения усталостной прочности за счет наведения благоприятных сжимающих остаточных напряжений.

2. Технологические методы, регулирующие остаточные напряжения. В связи с неблагоприятным влиянием сварочных растягивающих остаточных напряжений на усталостную прочность соединений во многих случаях возникает необходимость в снятии напряжений или хотя бы в уменьшении их неблагоприятного проявления. Для этого используют различные технологические приемы, целью которых является наведение в наиболее опасных местах соединений благоприятных сжимающих остаточных напряжений.

Способы повышения прочности: деформационное упрочнение (наклеп); упрочнение при образовании твердого раствора; упорядочение (образование антифазных границ) ; создание мелкозернистой структуры; старение (выделение вторых фаз); создание композитных материалов; создание благоприятных (сжимающих) по-•верхностных остаточных напряжений; образование субструктуры; увеличение плотности дислокаций, например в результате фазового наклепа, и др.

Создание благоприятных (сжимающих) поверхностных остаточных напряжений.