книги / Усталость крупных деталей машин

Г л а в а IX

УСТАЛОСТЬ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

1. УСТАЛОСТЬ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

ВСВЯЗИ С МАСШТАБНЫМ ФАКТОРОМ

Титановые сплавы находят все большее применение в машино­ строении для различных деталей и узлов, работающих в различ­ ных условиях и в том числе при циклически меняющихся нагру­ жениях. Вместе с тем исследований сопротивления усталости титановых сплавов с учетом реальных условий работы их в кон­ струкциях еще недостаточно.

В ЦНИИТМАШе [3] были проведены испытания на усталость образцов из титанового сплава, легированного алюминием, с диа­ метром рабочей части 12, 20, 40 и 180 мм (рис. 76). Испытаниям подвергали образцы гладкие и с охватывающими втулками, напресованными на необкатанную и обкатанную роликом по­ верхность.

Материалом для исследования служили поковки диаметром 290 мм, длиной 1100— 1700 мм. Из поковок длиной 1700 мм изго­ товляли образцы диаметром в рабочей части 180 мм. Образцы вытачивали по центру поковок. Из коротких поковок по всему сечению вырезали образцы с диаметром рабочей части 12, 20 и 40 мм.

Временное сопротивление материала поковок составило 720— 790 МПа.

Образцы диаметром 12, 20 и 40 мм (гладкие и с напрессован­ ными втулками), закрепленные одним концом, испытывали на машинах У-12, У-20 и У-40 при изгибе по симметричному циклу.

Образцы диаметром 180 мм испытывали на инерционной ма­ шине У-200 (см. гл. I).

При испытании образцов диаметром 12 и 20 мм с посаженными втулками контактное давление втулки на образец создавалось в результате закрепления разрезной втулки в цанговом патроне. На гладкую часть образцов диаметром 40 мм в холодном состоянии напрессовывали сплошные втулки с натягом 0,2—0,4 мм. Кон­ тактное давление при этом составляло около 40 МПа.

Образцы диаметром 180 мм испытывали с втулкой, состоящей из двух половин, которые стягивались захватами машины. Учи­ тывая, что через втулку передается изгибающий момент, а также усилие затяжки болтов захватов машины, можно считать, что давление на эти образцы было примерно 300 МПа. База испыта-

ний составляла 107 циклов. В каждой серии испытывали по шесть — восемь образцов диаметром 12, 20 и 40 мм и по три — пять образцов диаметром 180 мм. Образцы считали разрушенными, если в них усталостная трещина была видна невооруженным глазом^

Эффективным средством повышения циклической прочности узлов с туго посаженными деталями является поверхностное упрочнение подступичных частей, в частности обкаткой роликами. Режимы предварительной обкатки посадочных поверхностей об­ разцов, выбранные на основании специальных исследований» приведены в табл. 71.

По результатам испытаний для каждой серии испытанных образцов строили в полулогарифмических координатах кривые усталости.

Значения пределов усталости, полученные для всех испытан­ ных серий гладких образцов и образцов с напрессованными

Рис. 76. Образцы из титанового сплава для испытаний на усталость при изгибе: а — гладкие; б — с насаженными втулками

как и при испытании сталей, разброс экспериментальных точек увеличивается с уменьшением диаметра образцов. Изломы образ­ цов имеют крупнокристаллическое строение. Причем на образцах малого диаметра (12 и 20 мм) нет явно выраженной зоны развития усталостной трещины. Обкатка гладких образцов не повысила ни их предела выносливости, ни циклической долговечности. Точки, соответствующие гладким обкатанным образцам, ложатся на кри­ вые усталости для гладких необкатанных образцов.

Под влиянием насаженных втулок наблюдается значительное понижение предела выносливости образцов всех диаметров. Уве­ личение диаметра испытываемых образцов с 12 до 180 мм приводит к снижению предела выносливости титанового сплава примерно на 40%. Относительное снижение предела выносливости вслед­ ствие наличия насаженных втулок больше у образцов меньшего

высился до 175 МПа по сравнению с 145 МПа для гладких образ­ цов. Образец при напряжении 180 МПа разрушился после 2,6 млн. циклов вне втулки в зоне обкатки. Разрушение начиналось под слоем на некотором расстоянии (около 8 мм) от поверхности. Более высокий предел выносливости обкатанных образцов с ча­ стично удаленным упрочненным слоем объясняется тем, что для титановых образцов основную роль в повышении предела вы­ носливости при обкатке играют остаточные сжимающие напряже­ ния, максимум которых располагается на некотором расстоянии от поверхности.

Это было подтверждено также непосредственным определением величины и распределения остаточных напряжений в обкатанных валиках различного диаметра (см. главу IX, п. 3). При сравнении результатов испытаний обкатанных и необкатанных образцов с напрессованными втулками обращает внимание не только по­

тельно больших предела выносливости, образцы разрушались по втулкам.

На рис. 77 в полулогарифмических координатах построена зави­ симость предела выносливости от диаметра испытываемых образ­ цов. Как видно из данных, снижение предела выносливости с уве­ личением диаметра образцов как гладких, так и для образцов с на­ саженными втулками носит затухающий характер. Для стальных образцов, как правило, проявление влияния абсолютных размеров на гладких образцах значительно меньше, чем на образцах с кон­ центраторами напряжений. Для образцов из титанового сплава масштабный фактор, полученный на гладких образцах и на образ­ цах с насаженными втулками, примерно одинаков.

Предел выносливости с увеличением диаметра обкатанных об­ разцов с насаженными втулками снижается меньше, чем образцов необкатанных и при изменении диаметра образцов в тех же преде­ лах составляет всего 20%.

2. КОРРОЗИОННАЯ УСТАЛОСТЬ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

Представляют интерес исследования масштабного фактора при­ менения поверхностного пластического деформирования для круп­ ных валов из титанового сплава в условиях коррозионного воздей­ ствия. Для стали вопросы влияния абсолютных размеров, корро­ зионной усталости и упрочнения поверхности наклепом изучены значительно шире, чем для титановых сплавов.

Коррозионно-усталостные испытания проводили на образцах из тех же титановых сплавов, что и при испытании на воздухе, и на тех же машинах. К машинам У-12 и У-20 были изготовлены спе­ циальные приспособления, позволяющие смачивать рабочую часть вращающегося образца в потоке жидкости, подаваемой из резер­ вуара.

В качестве жидкости применяли 3%-ный раствор NaCl в воде. На машине У-200 раствор подавали через слой войлока (толщиной 10 и шириной 15 мм), расположенного в опасном сечении образца (по окружности), т. е. в зоне торца охватывающей втулки.

Результаты коррозионно-усталостных испытаний образцов при­ ведены в табл. 74.

Упрочненные образцы после коррозионно-усталостных испы­ таний разрушались в большинстве случаев вне втулки.

Коррозионная усталость упрочненных обкаткой роликами об­ разцов с охватывающими втулками в исследованном диапазоне диаметров не понизилась, а осталась на уровне аналогичных об­ разцов, испытанных на воздухе (см. табл. 72, 73).

3.ОСТАТОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ

ВУПРОЧНЕННЫХ ОБКАТКОЙ РОЛИКАМИ ВАЛАХ ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

Для определения возможности упрочнения валов, изготовленных из титановых сплавов, и разработки режимов их упрочнения были проведены специальные исследования.

В результате обкатки образцов из титановых сплавов практи­ чески не было обнаружено увеличения твердости. Диаграмма рас­ тяжения образцов показала, что величина временного сопротивле­ ния мало отличается от величины предела текучести, что свидетель­ ствует о весьма малой упрочняемости титанового сплава при пла­ стическом деформировании.

Предел выносливости образцов с концентратором напряжений в виде насаженной втулки значительно повысился в результате поверхностного пластического деформирования (ППД) обкаткой роликом, тогда как для образцов гладких предел выносливости после ППД остался без изменения. Следовательно, для титановых сплавов внутренние сжимающие напряжения, возникающие в на­ ружном слое вала при ППД, являются главной причиной повыше­ ния прочности валов с концентраторами напряжений как конст­ руктивного, так и технологического происхождения (насаженная втулка, сварка, коррозионная среда и пр.). Поэтому в качестве основного критерия повышения прочности при выборе режима упрочнения может служить величина сжимающих остаточных на­ пряжений.

Для определения осевых остаточных напряжений цилиндри­ ческие образцы из титанового сплава диаметром 20 и длиной 160 мм (8d) и диаметром 40 и длиной 280 мм (Id) подвергали обкатке роли­ ком по различным режимам (меняли усилие при обкатке).

Результаты обкатки образцов даны в табл. 75.

В торцовые плоскости цилиндров запрессовывали по одному стальному шарику 0 3 мм.

Расстояние между шариками до начала обтачивания образца, а также после каждого снятия слоя измеряли на концевой машине с точностью до =t=0,01 мм. При обтачивании снимали слой толщиной 0,5 мм на сторону в два прохода 0,2 и 0,3 мм. Напряжения подсчи­ тывали по формулам. Сжимающие остаточные напряжения на поверхности образца достигали весьма высоких значений (до

78 МПа). Остаточные сжимающие напряжения переходили в рас­ тягивающие на глубину 3 мм от поверхности образца. Эта глубина ориентировочно может быть принята за глубину наклепанного слоя.

В образцах 0 40 мм осевые остаточные напряжения составили от 820 до 1040 МПа при давлении на ролик соответственно 3 и 4 кН. Глубина залегания сжимающих напряжений при этом состав­ ляла 1,9 и 2 мм.

Цилиндрическую часть сплошного вала 0 200 мм из титано­ вого сплава подвергали обкатке роликом по режимам, указанным в табл. 76. Из каждого обкатанного участка было вырезано по два

цилиндра длиной 40 мм ( ^ = 0,2^ с целью определения танген­

циальных остаточных напряжений (можно было бы предполагать, что остаточные осевые напряжения будут малы). Для измерения деформаций, вызванных обтачиванием, применяли проволочные датчики сопротивления (база 10 мм, сопротивление около 200 Ом). В результате обработки данных была получена глубина залегания сжимающих остаточных напряжений (табл. 77).

Исследованию также подвергали полые валы наружным диа­ метром 380 и внутренним 257 мм. После обтачивания по торцу и внутреннего снятия слоя (5 мм на сторону) полые диски имели следующие размеры: D u = 380 мм; D BH = 247 мм; L = 70 мм;

Полые диски были обкатаны при разных режимах: один вал был обкатан при Р = 25 кН, другой при Р = 40 кН, а третий — без обкатки. Запись показателей производилась прибором для измерения статических деформаций ИСД-2, чувствительность ко­ торого равна 10"5. После наклейки тензодатчиков сопротивлением 202 Ом и базой 10 мм кольца помещали в термостат и прогревали при температуре 100° С в течение 2 ч.

В процессе изучения остаточных напряжений было выполнено 28 обтачиваний. В результате исследований получены следующие