Главная  Промышленность 

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 [ 52 ] 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65

в НИХ вызывают слабое деформационное упрочнение поверхности и развитие ее усталостной повреждаемости. Усталостное разрушение в этих сталях, как правило, инициируют поверхностные концентраторы напряжений: риски, царапины, обезуглероженные участки и т. п. Повышенная чувствительность к надрезам служит причиной более заметного разброса значений а j (см. рис. 8.13), замедления их роста с увеличением статической прочности и, как следствие, снижения коэффициента выносливости до 0,4. Для того чтобы обеспечить более высокую циклическую прочность этих сталей, необходимо уменьшить их чувствительность к концентраторам напряжений.

Твердые (HRC > 50) высокопрочные стали с мартенситной структурой обладают особо высокой чувствительностью к концентраторам напряжений, что нейтрализует их основное свойство высокое сопротивление образованию трещин усталости. По этой причине увеличение их статической прочности не сопровождается повышением выносливости (см. рис. 8.13). Более того, при сТц > 2000 МПа начинается снижение ст 1, а коэффициент вьшосливости уменьшается до 0,3*. Таким образом, потенциальные свойства высокопрочных сталей при циклических нагрузках не реализуются. Особенно сильно это проявляется не в образцах, а в реальных деталях вследствие резкого увеличения эффективного коэффициента концентрации напряжений {KJp [см. формулу (7.4)]. Его увеличение связано с интенсивным ростом коэффициента по мере повышения статической прочности стали и снижением коэффициентов, характеризующих влияние масштабного фактора е„ и шероховатости поверхности р. Вследствие высоких значений (К„)д несущая способность деталей из

• Высокие значения а 0,5 при мартенситной структуре могут сохраняться лишь для среднеуглеродистых сталей, упрочненных термомеханической обработкой (штриховая линия на рис. 8.13).

легированных высокопрочных сталей может быть ниже, чем из простых углеродистых сталей.

Вместо объемно-упрочненных высокопрочных сталей применяют средне-и низкоуглеродистые стали, подвергнутые поверхностному упрочнению. Его проводят следующими технологическими методами: 1) закалкой с индукционного нагрева ТВЧ; 2) химико-термической обработкой цементацией (нитро-цементацией), азотированием; 3) поверхностным пластическим деформированием (ППД): обкаткой роликами, обдувкой дробью и др.; 4) комбинированными методами, включающими химико-термическую обработку и ППД.

Благоприятное влияние технологических методов обусловлено действием двух факторов повышением сопротивления пластической деформации поверхностного слоя и созданием в нем остаточных напряжений сжатия.

Влияние этих факторов особенно значительно для деталей машин, работающих на изгиб, кручение, т. е. когда напряжения максимальны на поверхности (валы, оси, зубчатые колеса и др.). Упрочненный поверхностный слой в виде жесткой оболочки затрудняет выход дислокаций на поверхность и тем самым препятствует развитию на ней повреждений и образованию трещин усталости. Этому же способствуют и остаточные напряжения сжатия. Суммируясь с напряжениями от внешней нагрузки, они уменьшают на поверхности неблагоприятные напряжения растяжения.

Степень влияния остаточных напряжений сжатия растет с увеличением предела текучести поверхностного слоя-той предельной величины, которой они могут достигать в нем. При этом растет не только возможный уровень остаточных напряжений, но и их стабильность в процессе циклического

В зубчатых колесах на изгиб работает основание зуба.

6 Под ред. Б. Н. Арзамасова



нагружения. При мартенситной высокопрочной структуре остаточные напряжения достигают в поверхностном слое большой величины, при которой напряжения растяжения от внешней нагрузки уменьшаются настолько, что смещают очаг разрушения в подповерхностный слой, нейтрализуя тем самым поверхностные концентраторы напряжений. Таким образом, формирование высоких остаточных напряжений сжатия-важная составная часть технологии изготовления деталей машин повышенного сопротивления усталости.

Эффективность технологических методов количественно оценивается коэффициентом упрочнения Ру„р, показывающим, во сколько раз снижается эффективный коэффициент концентрации напряжений iK„)D и увеличивается предел выносливости конкретной детали. Влияние поверхностного упрочнения на Рупр показано в табл. 8.9.

Из таблицы видно, что эффективность технологических методов тем значительнее, чем острее концентратор напряжений (выше KJ.

Выбор метода поверхностного упрочнения детали зависит от условий ее эксплуатации, формы, размеров, марки выбранной стали и других факторов.

Закалку с индукционным нагревом ТВЧ широко используют в массовом производстве для повышения долговечности осей, пальцев, валов и других деталей цилиндрической формы. На структуру мелкопластинчатого мартенсита и высокую твердость {HRC 50-60) обрабатывают слои толщиной 1-3 мм. Вследствие фазовых превращений, вызывающих увеличение удельного объема поверхностного слоя, в нем формируются остаточные напряжения сжатия, которые на поверхности составляют 300-600 МПа. Предел выносливости гладких валов увеличивается в 1,3-1,7 раза (см. табл. 8.9).

Обладая высокой производительностью, метод поверхностной закалки в то же время мало эффективен для деталей сложной формы, для которых возможно только местное упрочнение, В местах обрыва закаленного слоя, не охватывающего галтели, выточки и дру-

ТАБЛИ1ДА 8.9. Повышение предела выносливости валов при поверхностном упрочнении

Коэффициент упрочнения валов Рур

Вил поверхностной обработки

Прочность сердцевины о„, МПа

гладких №а= 1)

с малой концентрацией напряжений (Ка < 1,5)

с большой концентрацией

напряжений (Ai, = 1,8 2)

Индукционная закалка с нагревом ТВЧ

600-800 800-1000

1,5-1,7 1,3-1,5

1,6-1,8

2,4-2,8

Азотирование

900-1200

1,1-1,3

1,5-1,7

1,7-2,1

Цементация

400-600 700 - 800 1000- 1200

1,8-2

1,4-1,5

1,2-1,3

Дробеструйный наклеп

600-1500

1,1-1,3

1,5-1,6

1,7-2,1

Накатка роликом

1,1-1,3

1,3-1,5

1,6-2



гие концентраторы, возникают высокие остаточные напряжения растяжения, снижающие выносливость. Этого недостатка не наблюдается при химико-термической обработке, обеспечивающей равномерное упрочнение, более высокую выносливость и одновременно износостойкость поверхности. Поверхностные слои приобретают высокую твердость: 7000-9000*. (ЯКС 59-63) после цементации (нитроцементации) и HV 8000-10000 после азотирования, а также высокие остаточные напряжения сжатия, смещающие очаг усталостного разрушения под поверхность. Предел выносливости гладких валов увеличивается в 1,1-2 раза, а при наличии концентраторов напряжений в 3 раза и более (см. табл. 8.9).

Наиболее напряженные детали (зубчатые колеса, вал-шестерни и др.) подвергают цементации, применяя для их изготовления низкоуглеродистые стали (см. табл. 8.4). После насыщения углеродом, закалки и низкого отпуска эти стали при высокой поверхностной твердости сохраняют вязкую сердцевину, способную воспринимать ударные нагрузки. Достоинство цементации возможность получить упрочненные слои большой толщины (0,8 -2 мм и более), выдерживающие высокие удельные нагрузки. Однако максимальной циклической прочности отвечают слои меньшей толщины (0,4-0,8 мм), когда остаточные напряжения сжатия высоки у поверхности, а очаг разрушения находится неглубоко от нее. С увеличением толщины слоя остаточные напряжения и предел выносливости снижаются, очаг разрушения смещается в глубь слоя-на границу с сердцевиной. По этой причине циклическая прочность цементированных деталей зависит не только от свойств поверхностного слоя, но и от свойств сердцевины, увеличиваясь по мере повышения ее прочности и твердости, достигая максимального значения при =

* Здесь и далее твердость приведена в мегапа-скалях.

= 1200 -г 1400 МПа и HRC 43-45. Такие свойства характерны для хромоникелевых и хромоникельмолибденовых сталей 12ХНЗА, 12Х2Н4А, 20Х2Н4А, 18Х2Н4МА, а также сталей с повышенным содержанием углерода-25ХГМ, ЗОХГТ и др. (см. табл. 8.4).

Азотированию подвергают легированные стали 38Х2МЮА, 40Х, 40ХНМА, 18Х2Н4МА и др., для упрочнения сердцевины которых проводят термическое улучшение. Их выносливость определяется режимом азотирования и растет по мере увеличения толщины упрочненного слоя. Вследствие небольшой толщины слоя (0,3-0,6 мм), ограничивающей допустимые нагрузки, а также большой длительности процесса азотирование применяют реже, чем цементацию. Ему отдают предпочтение в тех случаях, когда нежелательна деформация деталей при упрочнении или требуется повышение коррозионной стойкости и высокая износостойкость поверхности.

В отличие от азотирования цементация вызывает сильную деформацию деталей, для устранения которой шлифованием приходится удалять слои толщиной 0,10-0,25 мм, т. е. слои с остаточными напряжениями сжатия. В результате остаточные напряжения сжатия снижаются; во многих случаях формируются напряжения растяжения. В связи с этим цементованные детали после шлифования упрочняют обкаткой роликами или обдувкой дробью. Обкатку роликами применяют для поверхностного наклепа деталей цилиндрической формы, обдувку дробью (диаметром 0,6-3,0 мм), отличающуюся большой универсальностью и производительностью, - для деталей любой конфигурации.

Комбинированное упрочнение характеризуется высокой эффективностью, поскольку ППД дополнительно увеличивает твердость поверхностных слоев (на 10-20%) и формирует в них высокие остаточные напряжения сжатия. В итоге



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 [ 52 ] 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65