Изменение физико-механических свойств металла при превращении исходного материала в деталь.
Реальная прочность зависит от взаимодействия внутренних напряжений и напряжений, создаваемых внешними нагрузками. Часто эти напряжения сопоставимы по величине и если они суммируются, то возникает непредвиденная поломка и авария. Снижение внутренних напряжений достигается на этапе получения заготовки и ее превращения в деталь.
В отливках внутреннее напряжение уже возникает при неправильном расчете шихты и режима плавки. Это вызывает отклонение в химическом составе, приводит к появлению газовых, земляных и шлаковых раковин. При неравномерном остывании и усадке в отливке возникают трещины, разрывы, пустоты. Отливки, полученные в металлических кокилях, могут иметь газовые раковины, но корка их имеет высокую прочность. Дефекты отливок уменьшают разливкой металла в вакууме, приданием отливкам рациональной формы, применением стабилизирующей термообработки: отжига, искусственного
старения и т.д.
Неоднородности слитка частично сохраняются при его превращении в прокат или поковку. При этом могут возникнуть внутренние и поверхностные трещины, возможно расслоение металла. Если на прокатные валки попадают мелкие инородные частицы, то появляются риски глубиной 0,2–0,5 мм.
При обработке давлением рыхлая структура слитка уплотняется, но из-за неодинаковых условий течения металла в разных сечениях поковки возникают внутренние напряжения. По этой причине поковкам свойственна анизотропия механических свойств вдоль и поперек волокон. Особенно направление волокон влияет на вязкость.
Направление волокон должно согласовываться с конфигурацией детали и направлением рабочих нагрузок. Перерезание волокон при мехобработке снижает прочность. Желательно применять горячее накатывание с последующим холодным калиброванием, тогда обеспечивается правильное расположение волокон (рис. 4.7).
а) б)
Рис. 4.7. Неправильное (а) и правильное (б) расположение волокон
на зубьях шестерни
Накатанная резьба прочнее нарезанной резцом или фрезой.
При объемной закалке возникает внутреннее напряжение и даже трещины во время резкого охлаждения заготовки. Это явление усиливается при неблагоприятных условиях теплоотдачи, когда возникают горячие узлы. В этих местах возможны закалочные трещины из-за разной скорости остывания.
При закалке ТВЧ или закалке в процессе цементации увеличивается объем ПС из-за образования в нем мартенсита. Возникают напряжения сжатия. В результате усталостная прочность повышается почти в два раза.
При химико-термической обработке возникает крупнозернистая структура, закалочные трещины, выгорание углерода, науглероживание (при избытке СО), скопление в металле атомарного углерода (под действием кислот и щелочей). Все это ведет к хрупкому разрушению деталей.
При снятии стружки возникает пластический сдвиг и появляются остаточные деформации. Чем больше толщина снимаемой стружки, тем выше эти напряжения в ПС. При шлифовании напряжение в ПС достигает значений σ = 200–400 МПа, а при черновой обработке – 800–1000 МПа. При нагреве ПС в процессе резания и последующем резком охлаждении эмульсией возникают прижоги, трещины, локальные закаленные участки.
В сварных соединениях при остывании и усадке металла шва возникают местные напряжения и трещины, непровары, пустоты, прожоги. Частой причиной дефектов являются плохая обработка кромок, быстрое перемещение электрода и т.д.
Способы предохранения деталей от преждевременного разрушения.
Известные направления упрочнения изделия.
1). Выбор материала соответствующего условиям работы детали.
1.1) Если деталь подвергается циклическим и динамическим нагрузка (коленвал, поворотные цапфы, пружины), то она должна иметь хорошую усталостную прочность и ударную вязкость. Это низко - и среднеуглеродистые стали, иногда легированные стали марок: 25ХТГ, 39ХТСА, силумины.
1.2) Если деталь испытывает высокое поверхностное контактное давление (зубья шестерен, шейки коленвала), то применяют закалку ТВЧ, азотирование, цементацию или модифицированные чугуны.
2). Повышение износостойкости за счет рационального сочетания разных материалов в парах трения (прижимы режущего аппарата и сегменты, втулки и трубы граблин мотовила и т. п.).
2.1) При скольжении с малыми скоростями под высокой нагрузкой твердость сопрягаемых поверхностей должна быть максимальной (целесообразна наплавка твердым сплавом).
2.2) При скольжении с большими скоростями и в присутствии смазки необходимо сочетание твердой и мягкой поверхностей (например, полимеров, порошковой металлургии – со стальными поверхностями).
2.3) Износостойкость повышается при фосфатировании или сульфидировании поверхностного слоя, хотя при этом не достигается высокая прочность, но снижается коэффициент трения, исключаются задиры и схватывания.
3). Ликвидация концентраторов напряжений.
Шероховатость поверхности является концентратором напряжений и снижает усталостную прочность. Например, царапины глубиной 0,1 мм снижают предел усталости σ-1 на 40 %.
Черновое шлифование после прокатки повышает σ-1 в 2 раза.
Расположение неровностей от следов обработки поверхности при строгании влияет на интенсивность износа (рис. 4.8).
Рис. 4.8. Влияние направления неровностей на износ при трении
Эффективно снижает шероховатость обработка поверхностной пластической деформацией.
Качество ПС определяет износостойкость, характер надежности посадок, допустимое значение усталости, цикличной и контактной прочности, коррозионной стойкости.
4). Изменение структуры металла по объему.
4.1). Термообработка (сквозная закалка, закалка ТВЧ, лазерная или плазменная закалка), улучшение (закалка и высокий отпуск).
4.2). Электрофизическая обработка (электроэрозионная и ультразвуковая).
4.3). Механическая обработка: прокатка, волочение через
фильеру, редуцирование (обжатие), калибровка, дорнование, дробеструйная обработка и т.д.
Влияние свойств сопрягаемых материалов на эрозию.
Эрозия – разрушение изделий от коррозии и износа. Эрозия зависит от свойств материала и условий эксплуатации изделия. Влияние твердости. В сочленениях деталей поверхность из более износостойкого материала должна перекрывать другую поверхность. Иначе на более мягкой детали появляется ступенчатая выработка, нарушающая работу соединения (рис. 4.9).
Концевая цапфа вала находится в бронзовой втулке (рис. 4.9, а). Во время эксплуатации на участке S втулки появляется ступенька, которая мешает цапфе самоустанавливаться в продольном направлении.
Твердость внутреннего кольца подшипника выше, чем вала.
Поэтому его ширина должна быть больше длины ступеньки вала (рис. 4.9, б).
Рис. 4.9. Схема контакта материалов разной твердости
Вал-шестерня изготовлена из более твердого металла, чем колесо. Поэтому ее зубья должны быть длиннее, чем у колеса (рис. 4,9, в). Иначе на зубьях колеса появится ступенчатая выработка и нарушится работа передачи при осевом смещении колес. Осевое смещение часто возникает при тепловом расширении, погрешностях сборки и регулировки.
Влияние электропотенциала материала. Как разборные (резьбы, шлицы и т.п.), так и неразборные (сварные, паяные) соединения имеют щели, непровары, трещины, в которые попадает влага, иногда роса. На шероховатых поверхностях интенсивней накапливается жидкость. Чистая вода – это диэлектрик, но становится проводником при растворении в ней сернистого газа, солей, щелочей, всегда имеющихся в атмосфере. Если в возникающий электролит попадают два разных контактирующих металла, то и ведут они себя поразному. Причина в том, что каждый металл имеет свой постоянный (стандартный) потенциал. Например, E0Zn=– 0,76 B, E0Cr=– 0,744 B, E0 Gu =– 0,74 B, E0Fe=– 0,4 B, E0Ni=– 0,25 B.
Алюминий имеет наиболее высокий электроотрицательный потенциал, но благодаря возникающей окисной пленке, он снижается до E0Al = – 0,5 В. Знак перед значением потенциала характеризует направление тока (оно совпадает с движением положительного заряда ионов).
Металл с большей абсолютной величиной потенциала будет анодом в возникшей гальванической паре. Вместе с положительными ионами происходит перенос вещества с анода в электролит или на катод (металл с меньшим по абсолютной величине потенциалом).
Катод отдает свои электроны без потери вещества. Таким образом, возникающий электрический ток препятствует коррозии металла, имеющего меньший потенциал. Из соотношения потенциалов видно, например, что при помещении хромированной стали в среду электролита ионы с хрома (анода) переходят в электролит; возникающий постоянный ток направлен от хрома к железу. В результате только один хром будет растворяться (корродировать). Высокая коррозионная стойкость стали достигается, если в ее сплаве имеется не менее 12 % хрома. Такая сталь не ржавеет, не окисляется на воздухе, в воде, кислотах и щелочах. Высокая стоимость нержавеющей стали ограничивает ее применение в машиностроении.
Железо, сталь, свинец, олово усиливают контактную коррозию алюминия, цинка, свинца, кадмия. Никель усиливает контактную коррозию железа, стали, олова. Свинец усиливает контактную коррозию стали.
Полностью исключить коррозию нельзя. Чтобы ее замедлить, необходимо периодически удалять ее продукты, влагу, грязь с поверхности катода и возобновлять защитные покрытия.
Контакт полимеров и металла. При температуре более 30 ºC и влажности менее 40 % полимеры выделяют коррозионно-активные элементы. Например, при контакте с резиной усиливается коррозия сталей и цинковых покрытий.