Материал: ГЛАВА 3

Рис. 3.2. Влияние скорости резания на глубину наклепа

(никелевый сплав ХН77ТЮР, точение, t = 1 мм, резец ВК6М,

1 – S = 0,1 мм/об; 2 – S = 0,2 мм/об)

при изменении подачи глубина наклепа мало меняется, если обработку вести на оптимальных скоростях резания; в частности, при изменении подачи в два раза глубина наклепа уменьшилась всего на 10 мкм (с 80 мкм до 70 мкм). Если же рассматривать влияние подачи на глубину наклепа не при оптимальных скоростях, а при других произвольно выбранных (но постоянных для различных подач), то картина резко меняется. Например, при V = 15 м/мин (см. рис. 3.2 ) изменение подачи в 2 раза (с 0,1 мм/об до 0,2 мм/об) приводит к уменьшению глубины наклепа со 120 мкм до 80 мкм.

Задача 3.2.1

Условие задачи

Зависимости, отображающие влияние скорости резания на глубину деформированного слоя (наклепа), имеют вид (никелевый сплав, точение, глубина резания 1 мм):

для подачи S = 0,10 мм/об

h_c = 268 – 13,077 V + 0,2819 V ² – 0,0018 V ³ ;

для подачи S = 0,2 мм/об

h_c = 163 – 8,932 V + 0,2607 V ² – 0,0019V ³.

Определить:

1. Скорость резания, при которой будет минимум глубины деформированного слоя. Охарактеризовать физические явления, протекающие в зоне резания и приводящие к минимуму наклепа на некоторой оптимальной скорости резания.

2. Глубину наклепа при оптимальных скоростях резания (для любых подач) и при скоростях V = 15 мм/мин и V = 50 м/мин. Объяснить, почему на оптимальных скоростях наблюдается наибольшая стабильность глубины наклепа по сравнению с обработкой на других скоростях резания.

3.3. Релаксация технологических напряжений

В процессе эксплуатации при воздействии тепловых и механических нагрузок свойства металла поверхностного слоя не остаются постоянными. Релаксируют и остаточные технологические напряжения, специально наведенные на финишном этапе механической обработки. Проблемам релаксационных процессов в поверхностном слое в широком диапазоне эксплуатационных условий (температура, ресурс, вид нагрузки, среда и др.) уделяется большое внимание. Обусловлено это тем, что и конструктору детали, и технологу, определяющему метод и режимы обработки, необходимо знать, как долго в процессе эксплуатации будет наблюдаться положительный эффект от деформационного упрочнения и действия благоприятных (разгружающих деталь) остаточных напряжений и какие по величине и знаку напряжения должны быть сформированы на финишном этапе механической (или другой) обработки. Этим будет определяться ресурс эксплуатации детали, при выработке которого необходима замена деталей в изделии или ремонт. Решение многочисленных задач, связанных с проблемой релаксации технологических остаточных напряжений, в значительной степени возможно при наличии кривых релаксации напряжений при условиях, близких к реальным эксплуатационным (рис. 3.3). Такие зависимости могут быть представлены и в аналитической форме.

Эти данные раскрывают закономерность изменения напряжений во времени (в течение ресурса эксплуатации) и позволяют конструктору наметить возможный ресурс эксплуатации детали из расчета существования в поверхности требуемых напряжений, а технологу выбрать метод и режим упрочнения, обеспечивающие необходимые напряжения на финишном этапе обработки.

В частности, из рис. 3.3 следует, что если для выбранного сплава и заданных условий эксплуатации ( = 550^oС) в поверхностном слое детали должны быть напряжения не менее 80 МПа (требования конструктора по условиям прочности), то ресурс эксплуатации не должен превышать 500 часов. При выработке этого ресурса необходима замена детали или последняя должна быть подвергнута восстановительному ремонту. Одновременно кривая показывает, что перед постановкой детали на изделие в поверхностном слое ее должны быть наведены напряжения порядка 800 МПа. Для формирования таких напряжений должен быть подобран один из методов поверхностного пластического деформирования (ППД) и его режимы (исходя из конструкции детали, материала и др.).

Задача 3.3.1

Условие задачи

Известны следующие зависимости релаксации технологических остаточных сжимающих напряжений (применительно к никелевому жаропрочному сплаву) при эксплуатации:

При  = 500^oС,  = 250 МПа (статические)

 _ост = 810  356  10 ^{ 2}   + 728  10 ^{ 5}   ²  539  10 ^{ 8}   ³.

При  = 550^oС напряжения те же:

 _ост = 810  478  10 ^2   + 109  10 ^{ 4}  ²  85  10 ^7   ³.

При  = 600^oС, напряжения те же:

_ост = 810  804  10 ^{ 2}   + 264  10 ^{ 4}  ²  270  10 ^{ 7}   ³.

ост, МПа 700 600 500 400 300 200 100
1
2
3

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 , ч

Рис. 3.3. Влияние условий испытания (эксплуатации) на релаксацию остаточных осевых напряжений

в никелевом сплаве ХН77ТЮР;

 = 250 МПа; 1   = 500^oС; 2   = 550^oС; 3   = 600^oС.

Определить:

1. При температурах 500, 550 и 600^oС ресурс эксплуатации детали, если известно, что в поверхностном слое остаточные сжимающие напряжения должны быть не менее 200 МПа. Оценить, как влияет температура на снижение ресурса при выполнении этого условия.

2. Во сколько раз изменились (на сколько релаксировали) остаточные технологические напряжения после эксплуатации в течение 200 часов. Оценить влияние температуры на интенсивность релаксации напряжений.

3. Величину технологических сжимающих напряжений на этапе механической обработки деталей и рекомендовать метод обработки.

3.4. Оценка жаропрочности материала в зависимости от технологии обработки поверхности

Известно [ 4 ], что интенсивность снижения пределов усталости и пределов длительной прочности для образцов и деталей из конструкционных сталей и сплавов, подвергнутых деформационному упрочнению методами поверхностного пластического деформирования (ППД), значительно выше, чем для неупрочненных пластичной деформацией деталей. Особенно это контрастно видно при повышенных и высоких температурах испытания. Из этого вытекает, что если вести испытания в широком диапазоне долговечностей, то кривые, соответствующие различным технологиям обработки деталей (образцов), пересекутся при некотором значении долговечностей. Типичный характер кривых жаропрочности для никелевого сплава, образцы из которого на окончательном этапе обрабатывались электрополированием (кривая 1) и обкатыванием роликами (кривая 2), представлен на рис. 3.4. Видно, что при некотором значении ₁ наблюдается условие равнопрочности технологических вариантов.

Это условие равнопрочности весь диапазон долговечностей разделяет на две принципиально различные зоны [ 4 ]. В зоне А эффективно (с точки зрения повышения прочности) применение методов ППД. В зоне В технология обработки должна исключать пластическую деформацию поверхности. Из данных рис. 3.4 видно также, что наибольший эффект от деформационного упрочнения наблюдается при малых базах испытания (малом ресурсе) и по мере увеличения долговечности эффект снижается и становится равным нулю в точке пересечения кривых; видно также, что в зоне В с увеличением ресурса отрицательный эффект от пластической деформации нарастает. На основе этих данных и данных по ресурсу эксплуатации конструктору и технологу всегда можно спроектировать и изготовить деталь исходя из требований получения наибольшей прочности.

Рис. 3.4. Типичный характер кривых жаропрочности для никелевого сплава:

1 – образцы электрополированные; 2 – упрочненные обкатыванием

Задача 3.4.1

Условие задачи

Кривая длительной прочности сплава на никелевой основе, образцы (детали) из которого на финишном этапе были подвергнуты деформационному упрочнению обкатыванием роликами (одним из методов ППД), имеет вид

 = 749 – 0,25 + 910 ^{ 5}  ² – 10 ^{ 8} ³.

Кривая жаропрочности электрополированных образцов (деталей), поверхность которых не подвергалась пластической деформации и не содержит наклепа и технологических напряжений, описывается уравнением

 = 689 – 0,15 + 5,610 ^{ 5}  ² – 6,810 ^{ 9} ³.

В этих зависимостях  - статические напряжения, МПа;  - время, час. Температура испытания 600^oС. Диапазон долговечностей 50  3500 ч; диапазон напряжений 510  750 МПа.

Определить:

1. Целесообразность (с точки зрения получения наибольшей прочности) применения методов ППД при обработке деталей, если их ресурс эксплуатации:

а) 400 ч; б) 2000 ч; в) 500 ч; г) 2500 ч.

2. Предельный ресурс эксплуатации детали, до которого применение методов деформационного упрочнения целесообразно.

3. Насколько эффективнее (в МПа) применение технологии упрочнения деталей при ресурсе их эксплуатации 100ч по сравнению с ресурсом 600 ч.

4. Ресурс эксплуатации детали, при превышении которого применение технологии деформационного упрочнения отрицательно сказывается на прочности материала.