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 t₁ 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.

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

s = 749 – 0,25×t+ 9×10 ^{- 5} ×t ² – 10 ^{- 8}×t³.

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

s = 689 – 0,15×t+ 5,6×10 ^{- 5} ×t ² – 6,8×10 ^{- 9}×t³.

В этих зависимостях s - статические напряжения, МПа; t - 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.

3.5. Выбор технологического варианта обработки поверхности в зависимости от условий эксплуатации (применительно к жаропрочности)

Применительно к жаропрочным металлическим материалам научными исследованиями и производственным опытом найдены границы эффективного применения методов поверхностного пластического деформирования (ППД) (выглаживания, обкатывания, обработки шариками и др.) [ 4 ]. Как установлено, положительный эффект (увеличение прочности, долговечности) обусловлен наличием благоприятных технологических остаточных напряжений, которые способны разгрузить металл поверхностного слоя (сжимающих технологических напряжений при растягивающих рабочих и наоборот). Одновременно имеющая место пластическая деформация (наклеп) поверхности приводит к термодинамической нестабильности металла; при эксплуатации в такой поверхности более интенсивно, чем в недеформированном металле, протекают процессы разупрочнения. Последние приводят к релаксации технологических напряжений, рекристаллизации, селективному окислению, снижению твердости и др. Даже для кратковременных испытаний установлено, что при каждой степени деформации металла имеет место своя предельная температура, до которой можно получить положительный эффект от деформационного упрочнения. При длительных испытаниях (эксплуатации) вступает фактор времени (ресурса), в течение которого разупрочняется металл поверхности.

Иными словами, в сложной корреляционной связи находятся три важнейших обстоятельства: технология обработки, формирующая свойства металла поверхностного слоя; температура эксплуатации и ресурс эксплуатации. Разным температурам при одном ресурсе или одной температуре, но разным ресурсам будут соответствовать (из расчета получения наибольшей прочности) различные технологии обработки деталей на финишном этапе. На рис. 3.5 в качестве примера применительно к сплаву на никелевой основе приведены “температурно-ресурсные” зоны (блокирующие контуры) работоспособности материала в зависимости от технологии обработки поверхности [ 4 ]. Кривая 1 – это верхняя (по температуре и ресурсу) граница применимости методов ППД. Таким образом, в зоне А при любом сочетании температуры и ресурса эффективно применение методов деформационного упрочнения. В этой зоне возможна эксплуатация деталей при высоких температурах, но при этом будет весьма малым ресурс. И, наоборот, при больших ресурсах – низкая температура.

Кривая 2 является как бы нижней границей (по ресурсу и температуре) применимости технологии, в которой участвует деформационное упрочнение. В зоне С условия эксплуатации деталей таковы (высокие температуры и значительный ресурс), что пластическая деформация, приводящая к термодинамической неустойчивости материала, снижает эксплуатационные свойства (прочность, надежность, долговечность) материала и вследствие этого при любых сочетаниях температуры и ресурса в зоне С любая технология, основанная на пластической деформации, недопустима.

Между кривыми 1 и 2 находится переходная зона В, разграничивающая зону А (зону эффективного применения ППД) и зону С, где наклеп недопустим. Как показывают исследования, в зоне В целесообразно применять комбинированные технологии, сочетающие деформацию с термической обработкой. Деформация (поверхностная или сквозная) в этом случае, как правило, не превышает всего 3 - 6 %, а последующая термическая обработка способствует образованию ячеистой структуры зерен с зубчатыми границами. Все это способствует повышению сопротивления деформации и разрушению материала при повышенных температурах.

Из изложенного вытекает, что назначение технологии обработки деталей должно вестись с учетом температуры и ресурса ее эксплуатации. При известных температуре и ресурсе эксплуатации, независимо от того, как представлены блокирующие контуры (в графическом виде (рис. 3.5)) или кривые 1 и 2 даны в аналитической форме), такой выбор технологии легко реализуем. Например, с помощью данных рис. 3.5, если температура эксплуатации равна 750^oС, а ресурс – 100 часам, можно определить, что такие условия эксплуатации соответствуют зоне А, где высокую эффективность проявляют методы ППД. Следовательно, в зависимости от марки материала и конструкции детали следует применять один из методов деформационного упрочнения (выглаживание, гидрогалтование, обработку дробью, микрошариками и др.). Если графически блокирующие контуры не представлены, а кривые 1 и 2 даны в аналитической форме, то выбор технологии возможен при решении уравнений и сравнении результатов с заданными эксплуатационными условиями. Например, зная условия эксплуатации в виде q = 750^oС и t = 100 ч, можно решить уравнение кривой 1, подставив в него известную температуру (750^oС). Найденный при этом ресурс (t = 450 ч) необходимо сравнить с заданным. Видно, что 450 ч значительно больше, чем требуемый ресурс в 100 ч, значит, условие эксплуатации соответствует температурно-ресурсной зоне А. В общем случае аналогичным образом, решая уравнения кривых 1 и 2 и сравнивая полученные данные с заданными, всегда можно определить, в какой температурно-ресурсной зоне находятся заданные условия эксплуатации. После этого и выбирается метод обработки на финишном этапе: или это будет один из методов деформационного упрочнения (зона А), комбинированный термомеханический или механотермический метод (зона В); в зоне С на этапе окончательной обработки методы, основанные на деформации, недопустимы; в таких случаях применяют электрополирование. Если же формообразование детали осуществлялось все-таки механическими методами, то в этом случае вводится дополнительная операция отжига в вакууме или защитной среде.

Рис. 3.5. Температурно-ресурсные зоны (блокирующие контуры) работоспособности никелевого сплава в зависимости от технологии обработки поверхности

Задача 3.5.1

Условие задачи

Диапазон эксплуатационных температур 750-950^oС, диапазон долговечностей (ресурса) 40 ¸ 2000 ч (нагрузки статические). В этом диапазоне для никелевого жаропрочного сплава граница применимости (по температуре и ресурсу) методов поверхностного пластического деформирования описывается уравнением

q = 925 – 0,57×t + 49×10 ^{- 5}×t ² – 13×10 ^{- 8} × t ³.

Этим же уравнением описывается нижняя граница применимости комбинированной механотермической обработки. Верхняя же граница (по температуре и ресурсу) зоны применения этой технологии выражается зависимостью

q = 1031 – 0,7×t + 58 × 10 ^-5 × t ² – 15 × 10 ^{- 8} × t ³.

Одновременно этим уравнением описывается нижняя граница зоны, где по условиям эксплуатации (большой ресурс и высокие температуры) детали при их изготовлении не должны подвергаться пластической деформации (зона С).

Определить:

1. Методы обработки поверхностей деталей из этого сплава при следующих условиях эксплуатации:

а) q = 800oС; t = 10 ч;	г) q = 750oС; t = 100 ч;
б) q = 800oС; t = 100 ч;	д) q = 780oС; t = 100 ч;
в) q = 800oС; t = 1000 ч;	е) q = 900oС; t = 100 ч.

2. Для вариантов а, б и в оценить влияние ресурса на технологию обработки поверхностей деталей.

3. Для вариантов г, д, е оценить влияние температуры на технологию окончательной обработки поверхностей деталей.

ГЛАВА 4. СПРАВОЧНЫЕ ДАННЫЕ