книги из ГПНТБ / Макаров, А. Д. Износ инструмента, качество и долговечность деталей из авиационных материалов учебное пособие

ГЛАВА XV

ВЛИЯНИЕ НАКЛЕПА И ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ НА ИЗМЕНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ И СВОЙСТВ МЕТАЛЛА

ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Исследования показывают, что поверхностный слой деталей, прошедших длительную эксплуатацию в условиях высоких температур и напряжений, претерпевает существенные измене­ ния: в поверхностном слое наблюдаются рекристаллизация, па­ дение твердости, прочности, жаропрочности; в результате диффу­ зионных явлений, окисления, выгорания и испарения легирую­ щих элементов изменяется химический и фазовый состав. Изме­ нение химического и фазового состава, окисление, достаривание и частично рекристаллизация являются по своей природе процес­ сами диффузионными. Известно, что в исходном металле диффузия протекает почти исключительно по границам зерен, а после плас­ тической деформации, вследствие изменения формы, размеров, дробления зерен, разрыхления и уменьшения плотности металла, увеличения удельной поверхности границ зерен, диффузия проте­ кает во всем объеме. При этом диффузионная подвижность атомов повышается в десятки раз. Так, например, коэффициент самодиффузии никеля в поверхностном слое электрополированного образца из сплава ЭИ437Б при Т = 800°С равен D = 9,6 ■ 1013 см?1сек, а в образцах, подвергнутых пескоструйной обработке, D = 120 ■

• Ю1* см?/сек (по данным С. 3. Бокштейна, С. Т. Кишнина и др.). Таким образом, состояние поверхностного слоя (степень и глубина наклепа, остаточные напряжения и др.), определяемое условиями обработки, должно оказывать существенное влияние на характер и интенсивность протекания процесса разупрочнения поверхности, от которого в конечном счете зависит общая прочность детали. Можно предположить, что для деталей, работающих в условиях высоких температур, когда последние приводят к релаксации ос­ таточных напряжений, главным фактором, определяющим процесс разупрочнения поверхностного слоя, а следовательно, и прочность детали в целом, является глубина и степень наклепа.

301

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

302

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

зр з

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:

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.

306

тура детали ниже той температуры, при которой образовался поверхностный окислительный слой.

Из формулы

=т = Е (tt — to) Я,

где t1 — комнатная температура;

t.2 — температура образования окислов;

Е — модуль упругости измененного материала; а — коэффициент линейного расширения,

следует, что если температура детали будет выше температуры образования окисленного слоя, термические напряжения меняют знак.

Другой специфической особенностью термических напряжений является то, что они неустранимы и могут быть сняты лишь при удалении соответствующего окисленного поверхностного слоя ме­ талла.

Микротвердость поверхностного слоя

Основные данные по микротвердости поверхностного слоя образцов до и после испытания приведены в табл. 15.1. В ней приведены также степень пластической деформации металла, при­ легающего к поверхности (2-^7 мкм), и плотность дислокаций в этом слое. Степень деформации была найдена из корреляционной зависимости между степенью деформации и величиной упрочнения. Плотность дислокаций вычислялась методом гармонического ана­ лиза формы линии (111) при рентгенографировании поверхности образца на установке УРС-50ИМ [31. Исходная степень упрочне­ ния (наклепа) подсчитывалась по формуле (12.2). После длитель­ ных испытаний степень разупрочнения поверхностного слоя опре­ делялась по формуле

N' = Н~ Нр . 100 %,

Н

где Н — микротвердость сердцевины; Но— микротвердость поверхности.

Приведенные в табл. 15.1 и рис. 15.5, 15.6 данные показывают, что микротвердость поверхностного слоя образцов, прошедших длительные испытания, существенно изменилась по сравнению с исходной "микротвердостью [2, 4]. На образцах после испытания на жаропрочность при наличии упрочнения в исходном состоянии наблюдается существенное разупрочнение поверхности, выражаю­ щееся в значительном падении микротвердости. При этом повыше­ ние исходной глубины и степени пластически деформированного

308

слоя приводит к соответствующему увеличению слоя с понижен­ ной микротвердостью. Так, например, у электрополированного образца (без наклепа) толщина слоя с пониженной микротвер­ достью составляет Ю мкм с величиной микротвердости поверхности 320 кг/мм2 (при твердости сердцевины 340 кг/лш2). На полирован­ ных, шлифованных, обточенных и упрочненных образцах обнаруже­ на соответственно все возрастающая глубина дефектного разупрочненного слоя. Максимальный по глубине и степени разупрочненный слой обнаружен на обкатанном роликами образце, имею­ щем самый большой наклеп поверхности. В этом случае микро­ твердость поверхности составляет 220 кг/мм2, что на 290 кг/мм2 ниже исходной микротвердости поверхности и на 120 кг/мм2 ни-

Рис. 15.6. Влияние исходной глубины наклепа на глубину разупрочненного слоя (а) и степень разупрочнения (б) при длительных испытаниях образцов сплава ЭИ437БУ (цифрами указаны номера вариантов изготовления — см. табл. 15.1)

же твердости сердцевины. При степени упрочнения (наклепа) N=47%, полученной обкаткой роликами, в процессе высокотем­ пературного испытания произошло разупрочнение поверхности порядка N' = 35%. Среди образцов, изготовленных точением, наименьший разупрочненный слой как по глубине, так и по сте­ пени обнаружен на образце, обработанном на оптимальном по интенсивности износа режиме резания.

310