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

клепа. На электрополированном образце не обнаружено дефект­ ного окисленного слоя в виде мелких рекристаллизованных зерен (рис. 15.9 а). На образцах после таких видов обработки поверх­ ности, как полирование, шлифование, точение, дробеструйная обработка и обкатка роликами, увеличивающих соответственно глубину и степень наклепа, обнаружена возрастающая глубина дефектного слоя (рис. 15.9 и 15.10). Так, например, окисленный дефектный слой на полированном образце находится в пределах 5—7 мкм, шлифованном—8ч-12 мкм, обточенном (по варианту 4) на оптимальной скорости— 12-МЗ мкм, после дробеструйной

ляет 15ч17 мкм, по варианту 6—13ч15 мкм. Как видно из данных, точение сплава ЭИ437БУ на оптимальной скорости резания обес­ печивает наименьший дефектный слой по сравнению с образцами, обработанными на других скоростях резания.

Необходимо отметить, что глубина дефектного слоя, представ­ ляющего собой металлоокисную смесь, соответствует глубине за­ легания термических напряжений. Это дополнительно подтверж­ дает правильность вывода о том, что причиной возникновения термических напряжений является несоответствие физико-меха­ нических свойств металла поверхностного слоя и металла серд­ цевины.

Анализ микроструктуры показывает также, что между слоем с окисленными границами зерен, прилегающим к поверхности, и основной структурой находится промежуточный слой. Этот слой также состоит из мелких рекристаллизованных зерен, но не имеет окисленных границ и характерен несколько меньшей травимостью по сравнению с основной структурой (рис. 15.10).

При исследовании поверхностного слоя испытанных образцов рентгеноструктурным методом было обнаружено размытие линий при отсутствии наклепа (упрочнения) (рис. 15.11). Микроструктурное исследование показало, что причиной размытия ли­ ний является мелкозернистая структура поверхностного слоя. К ром е ТОГО , р а э м ъ ш ш ЛУУУЙ м ож ет способствовать наличие тер­ мических остаточных напряжений.

Электронномикроскопическое исследование образцов показало, что в поверхностном слое, представляющем собой металлоокисную смесь, полностью отсутствует упрочняющая у'-фаза, что связано с существенным обеднением поверхностного слоя легирующими эле­ ментами. По мере удаления от поверхности количество у'-фазы по­ степенно увеличивается; сердцевина образцов представляет собой структуру с обычным гетерогенным строением. На рис. 15.12 при­ ведены характерные фотографии дефектного слоя, полученные'на электронном микроскопе. В зоне А (см. рис. 15.10 и 15.12) наблю­ дается мелкозернистая структура с широкими границами зерен, представляющими слой окислов; в зоне Б также видна мелкозер­

322

нистая структура, но без включений окислов. Зона В — струк­ тура сердцевины образца.

Таким образом, экспериментально установлено, что интен­ сивность протекания в поверхностном слое таких процессов, как разупрочнение (падение твердости), окисление, изменение химического и фазового состава, структуры, образование терми­ ческих напряжений, изменение параметра кристаллической решет­ ки идр., находится в непосредственной связи с глубиной и степенью наклепа, обусловливающего диффузионные процессы в поверх­ ностном слое.

К вопросу о релаксации остаточных напряжений

При исследовании изменения состояния материала поверх­ ностного слоя в процессе длительных высокотемпературных ис­ пытаний не было обнаружено какой-либо взаимосвязи между разупрочнением поверхностного слоя и величиной и знаком оста­ точных напряжений, что может быть объяснено быстрой релакса­ цией последних. Для подтверждения этого было проведено иссле­ дование влияния температуры на релаксацию остаточных напряже­ ний. Образцы из сплава ЭИ437БУ были обработаны точением по режиму: v = 34 м/мин, s = 0,08 мм/об, t = 1,0 мм. После изготов­ ления образцы подвергались нагреву в воздушной среде: одна пар­ тия образцов нагревалась до температуры 700°С, другая — до 750°С (эксплуатационные температуры для этого сплава). Время выдержки при этих температурах было различное и находилось в пределах 0,5—8 час.

Из теории пластичности известно, что релаксация напряже­ ний при повышенных температурах происходит за счет деформации материала. При этом считается, что релаксация будет происходить до значений напряжений, равных пределу текучести материала при данной температуре.Напряжения меньше предела текучести не должны сниматься при повышении температуры до тех пор, пока их величина не совпадет со значением os; затем релаксация напряжений должна протекать согласно изменению предела текучести. Полное снятие напряжений может быть достигнуто при температуре, когда оч = 0. Для сплава ЭИ437БУ предел текуче­ сти стремится к нулю при температуре, превышающей 950°С. При температуре 700°С и 750°С пределы текучести соответственно равны 72 кг/мм2 и 68 кг/мм2. Приведенные цифры показывают, что согласно теории релаксации по механизму ползучести в нашем случае при температурах 700ч-750°С не должно было бы наблю­ даться существенного снижения остаточных напряжений.

Однако экспериментальные данные показывают, что в дейст­ вительности изменение остаточных напряжений не в полной мере соответствует рассмотренной схеме релаксации (рис. 15.13, 15.14). Как видно из приведенных данных, нагрев образцов из сплава

323

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-

325

рактер изменения состояния поверхностного слоя под действием лишь одной температуры. Можно полагать, что под действием до­ полнительно рабочих напряжений будет происходить еще более

(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

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

326

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

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.

3 2 9

Т а б л и ц а 16.1

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

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

330