Obrabotka Metallov 2019 Vol. 21 No. 2

OBRABOTKAMETALLOV Vol. 21 No. 2 2019 111 MATERIAL SCIENCE Упрочняющая обработка поверхностным пластическим деформированием (ППД) суще- ственно повышает сопротивление усталости, содействует большей долговечности до и после появления усталостной трещины. Известно, что для сталей с низким содержанием углерода по- вышение сопротивления усталости обусловлено в большей степени повышением поверхностной твердости (упрочнением), в то время как для твердых сталей – в большей степени появлением сжимающих остаточных напряжений, сдержива- ющих появление и развитие мелких трещин. Обработка ППД применяется во многих об- ластях техники как для повышения качества поверхности, так и для повышения прочности металла деталей машин в условиях усталости, фреттинг-нагрузках и др. [3]. К ним относят: оси и валы автомобилей, валы редукторов сель- скохозяйственных, дорожных и горных машин, колесные диски самолетов, высоконагруженные крепежные изделия, а также диски и лопатки турбин, лопасти вентилятора компрессора и др. Эффекты упрочнения и сжимающих ОН ис- следованы для различных деталей из разных ма- териалов [4–8]. Так, например, в исследовании W.J. Qin, C. Dong and X. Li проведена оценка и показан эффект повышения усталостной проч- ности коленчатого вала с учетом ОН [8]. Автора- ми работ [9–10] экспериментально исследованы ОН поверхностного слоя после упрочняющей об- работки различными способами поверхностного пластического деформирования (ППД). В рабо- те [11] предложена модель релаксации ОН на ста- дии эксплуатационного усталостного нагружения. Большинство исследователей отмечают не- обходимость измерений, оценки, прогнозирова- ния и управления величиной и распределением ОН. Остаточные напряжения измеряют мето- дами тензометрии [3], оценки деформаций при релаксации остаточных напряжений [12], путем послойного химического удаления слоев мате- риала с оценкой возникающей деформации [12], методами дифракции рентгеновских лучей [13], микроиндентирования [14] и др. В работе [15] показано, что поле остаточных напряжений – это поле энергии деформации. Распределение остаточных напряжений, вклю- чающее численное значение и существующий диапазон, коррелирует с количеством энергии. На этой основе авторами предложен интеграл плотности энергии деформации, при этом уста- новлено, что силы трения и тепловые эффекты имеют основное значение в определении окон- чательного распределения ОН. Наиболее адаптированным для решения за- дач по оценке остаточных напряжений после упрочнения в процессах механической обра- ботки и их влияния на усталостную прочность является метод конечных элементов (МКЭ). Уже в упомянутой статье [8] МКЭ использован для моделирования поведения коленчатого вала при усталостном нагружении с учетом остаточ- ных напряжений. Xiaoming Huang, Jie Sun and Jianfeng Li выполнили МКЭ-моделирование и экспериментальное исследование остаточных напряжений, результаты которых показали вы- сокую сходимость [16]. В работах [17–20] пред- ставлены результаты численного моделирования остаточных напряжений в процессах резания с учетом трения, температур, смазывающих средств при обработке различных материалов разными инструментами. В работе [21] автором проведены исследо- вания механики процесса ППД и созданы 2D- и 3D МКЭ-модели обкатывания роликом. Ре- зультаты моделирования, включающие в себя поверхностные деформации и остаточные на- пряжения, показали высокую сходимость с экс- периментальными данными, полученными из литературных источников. Авторы настоящей работы отмечают, что в рассматриваемой области знаний остаются акту- альными две важные проблемы. 1. Сложность и высокая трудоемкость из- мерения ОН, поскольку большая часть методик основана на разрушении детали либо послойном удалении металла ПС и измерении остаточных деформаций детали с последующим расчетом величины ОН. При этом рентгеновские способы позволяют выявлять ОН второго рода и преиму- щественно в тонких поверхностных слоях, исчис- ляемых десятками микрометров, не позволяю- щими определять распределение ОН по глубине упрочненного ПС, исчисляемого миллиметрами. Для этого направления актуальной и перспек- тивной является разработка и развитие экспери- ментальных экспресс-методик, основанных на физических методах неразрушающего контроля (НК): акустических, магнитных шумов, коэрци- тивной силы и др.