2768.Несущая способность и расчёт деталей машин на прочность

Так/г-1к

Рис. 32. Сопротивление усталости об­ разцов с концентрацией напряжений при совместном изгибе и кручении при симмётричном цикле [68J

зависимости, вытекающей из условия прочности Alopa:

При использовании зависимости (3.34) отклонение опытных значений не превышает 8—12% по всем эксперимен­ тальнымданным. Поэтому ее можно

\

Рис. 33. Сопротивление усталости об­ разцов с поперечными отверстиями при совместном изгибе и кручении при симметричном цикле [68/

использовать для практических -рас­ четов стальных деталей, учитывая, что такого же порядка неточности допуска­ ются в определении пределов выносли:' вости и коэффициентов концентрации.

Указанная неточность при использо­ вании зависимости (3.34) может быть скорректирована введением поправоч­ ного коэффициента.

Особо следует рассмотреть случай совместного действия изгиба и круче­ ния вала с поперечным отверстием.

В этом случае наибольшие напряже­ ния от кручения действуют в точке, не совпадающей с точкой действия наи­ больших напряжений от изгиба. Поэ­ тому необходимо учитывать фактичес­ кое распределение напряжений по краю отверстий и ввести необходи­ мые поправки в величины нормаль­ ных напряжений.

С учетом поправки опытные данные хорошо согласуются с зависимостью, показанной на рис. 33.

Для чугунов и других хрупких материалов необходимо использовать условия прочности (3.35).

Влияние посадок и коррозии трения в местах контакта

При напрессовке на вал или ось каких-либо деталей (шестерен, шкивов, подшипников качения и т. п.) резко снижается сопротивление усталости вала или оси, причем зарождение усталостной трещины начинается около края поверхности контакта со­ прикасающихся поверхностей. Напри­ мер, предел выносливости пластин высотой 200 мм в зоне контакта снижа­

рожных осей с напрессованным коле­ сом и их моделей даны в табл. 2.

Причинами столь резкого снижения пределов выносливости при посадках являются в основном концентрация напряжений у края-поверхности кон­ такта и наличие так называемой кор­ розии трения, связанной с электроэрозионным повреждением и механи­ ческим истиранием поверхности.

При циклическом деформировании детали с посадкой имеется небольшое (порядка 1 • 10~6мм) скольжение поверх-

ностей соприкасающихся деталей. Сочетание определенной'пары металлов и наличие циклического скольжения приводит к образованию коррозии, электроэрозионного разрушения и ме­ ханического истирания на соприкасаю­ щихся поверхностях, что способствует развитию трещин коррозионной усталости даже при весьма низких напряжениях. Однако при низких напряжениях скорость развития этих трещин настолько мала, что не приво­ дит к их увеличению даже при весьма большом числе циклов. Поэтому сопротивление усталости деталей с напрессовками можно характеризовать двумя пределами выносливости: по раз­

рушению и по началу образования неразвивающихся трещин.

На рис. 34 показаны ось с напрессо­ ванным колесом и результаты испыта­ ния на усталость осей диаметром 241 мм при консольном изгибе с враще­ нием; материал осей — сталь, близкая к стали марки Ст5. Механические свой­ ства: ав = 64 кге/мм2, стт = 35 кге/мм2, ■ф= 48%. Оси проходили нормализа­ цию и отпуск.

По поверхности А колесо болтами прикрепляется к планшайбе, соеди­ ненной со шпинделем испытательной машины. Черные точки (см. рис. 34) соответствуют осям, сломавшимся в процессе испытания. Белые точки соот-

Рис. 35. Зависимость глубины усталост­ ной трещины I от напряжений при испы­ тании на усталость по данным Хоргера /7 1/ (кривые 1, 2) и Усова А. М. /35/ (кривая 3):

обкаткой после 85 млн. циклов; 3 — моде­

имеющим трещины усталости. Цифры около белых точек показывают глубину трещин в мм. Следовательно, даже

усталости, не развивающиеся до опас­ ных размеров при числе циклов до 85 млн. Предел выносливости по раз­ рушению равен 7,7 кгс/мм2, а предел выносливости по началу образования трещин — примерно 3,5 кгс/мм2. Мак­ симальная глубина трещин (в мм) после 85 млн, циклов действия пере­ менных напряжений в зависимости от напряжения при испытании пока­ зана на рис. 35.

Точки соответствуют испытаниям осей диаметром d = 241 мм из различ­ ных сталей. Точки в виде белых ром­ бов соответствуют осям, обкатанным роликом, черные точки — осям, про­ шедшим специальную термическую об­ работку, в результате которой в по­ верхностных слоях осей созданы значи­ тельные сжимающие остаточные напря­ жения. Штриховая линия соответству­ ет осям, имеющим в поверхностном слое остаточные напряжения сжатия, а сплошная линия — осям без остаточ­ ных напряжений.

Черными ромбами (штрих-пунктир­ ной линией) обозначены результаты испытаний моделей осей, обкатанных роликами и испытанных до 250 млн. циклов. Диаметр моделей осей равнял­ ся 55 мм, материал — сталь марки 40.

У осей без специальной поверхност­ ной обработки (кривая / на рис. 35) при напряжениях 8,0—8,5 кгс/мм2 глубина трещины становится настоль­ ко большой, что вызывает оконча­ тельное разрушение оси. При наличии остаточных сжимающих напряжений в поверхностном слое глубина трещин при таких же напряжениях значитель­ но меньше.

При использовании методов поверх­ ностного упрочнения (накатки роликом, цементации и т. п.) пределы выносли­ вости деталей с напрессовками значи­ тельно возрастают (в 2—3 раза и бо­ лее).

Снижение сопротивления усталости в местах контакта существенно зави­ сит от удельного давления между соприкасающимися поверхностями. С увеличением удельного давления увеличивается концентрация напряже­ ний, что приводит к существенному снижению пределов выносливости, но при увеличении удельного давления до 3—4 кгс/мм2 дальнейшего снижения практически не наблюдается.

Для уменьшения концентрации на­ пряжений применяют конструктивные меры, повышающие предел выносли­ вости. Так, канавка на торце ступицы или утолщение подступичной части

нию со случаем, изображенным на рис. 36, а. Коррозия трения зависит от материала ступицы и вала. Про­ кладки из прессшпана, цинка, меди, алюминия и т. д., уменьшающие кор­ розию трения и электроэрозионное разрушение, повышают пределы вы­ носливости.

Прокладки повышают предел вынос­ ливости до 60% по излому и до 7Ь°/ по трещинообразованию.

Для расчета на прочность валов с напрессовками следует использовать

Особенно существенное влияние на сопротивление усталости оказывает частота нагружения в том случае, когда одновременно действуют коррозия, по­ вышенная температура и т. д., влияние которых связано с продолжитель­ ностью их воздействия на испытуе­ мый образец.

Влияние качества обработки поверхности

Зарождение усталостной трещины начинается с поверхности вследствие того, что на поверхности возникают наибольшие напряжения при изгибе, кручении, при наличии концентра­ ции напряжений и различных дефектов поверхности. Поэтому качество обра­ ботки поверхности оказывает очень сильное влияние на сопротивление усталости. На рис. 39 показаны экспе­ риментально найденные кривые, харак-. теризующие изменение предела вынос­ ливости образцов вследствие различ­ ного качества обработки поверхности. По оси абсцисс на этом графике от­ ложен предел прочности стали ав, по оси ординат — коэффициент (J, ха­ рактеризующий влияние качества обра­ ботки поверхности на предел выносли­ вости

поверхности; OLj — предел выносли­ вости тщательно полированных образ­ цов.

Снижение предела выносливости тем больше, чем выше предел прочности стали. В случае грубого точения снижение предела выносливости ока­

125 кгс/мм2. Наличие окалины приво­ дит к более резкому снижению предела выносливости. Поэтому в случае ис­ пользования высокопрочных легиро­ ванных сталей детали должны иметь тщательно шлифованную или полиро­ ванную поверхность; в противном слу­ чае теряется смысл применения доро­ гих легированных сталей. Это под­ тверждается зависимостью пределов выносливости от пределов прочности сталей при различном качестве обра-

G-u кгс/мм^

Рис. 40. Зависимость предела выносли­ вости от предела прочности стали при:

1 — полировании; 2 — тщательном шли­ фовании; 3 — грубом шлифовании; 4 — обдувке дробью [48]

боткн поверхности (рис. 40). При гру­ бом шлифовании предел выносливости стали с пределом прочности 150 кгс/мм2 оказывается таким же, как у стали

сав = 75 кгс/мм2 (рис. 40). Аналогичное влияние качества обра­

ботки поверхности на предел выносли­ вости свойственно и другим металлам и сплавам, в частности легким сплавам [82]. Так, для лабораторных образ­ цов, выточенных из дюралюмина, ко­ эффициент (5 = 0,85 -г- 0,9 (т. е. сни­ жение предела выносливости у точеных образцов по сравнению с полирован­ ными составляет 15—10%); для образ­ цов из магниевых сплавов при обточке Р = 0,7 -4- 0,8; для деталей из легких сплавов, содержащих на поверхности литейную корку, окалину и другие дефекты литья, прессования или про­ катки, Р = 0,5 -г- 0,75; при обдувке песком или дробью литейной или про­ катной корки Р = 0,8 -н 1,0.

Некоторые виды маркировки резко снижают выносливость деталей машин. Например, нанесение клейма на образ­ цы толщиной 4 мм из алюминиевых или магниевых сплавов снижает их предел выносливости на 30%. При на­ писании цифр электрокарандашом ко­

0,88; 0,8 и 0,57. Вытравливание цифр не снижает предела выносливости образ­ цов из указанных выше материалов.

Особенно чувствительны к качеству обработки поверхности титановые спла­

ву, для которых снижение предела выносливости точеных образцов по сравнению со шлифованными состав­ ляет 33% при нормальной температуре

и28% при t= . 400° С [40].

На сопротивление усталости образ­

цов при токррной обработке могут ока­ зывать существенное влияние режимы точения (подача, глубина резания, скорость резания, износ резца и т. д.) [15, 40, 48, 82]. Особенно резкое влия­ ние режимы точения оказывают на выносливость титановых сплавов (табл. 3, 4, 5) [40]. Испытания на

Скорость резания, подача, глубина резания практически не влияют на характеристики статической прочности титанового сплава. Скорость резания оказывает малое влияние и на сопро­ тивление усталости [40]. Однако уве­ личение подачи, связанное с увели­ чением микронеровностей (оценивае­ мое по Яск), приводит к резкому

Таблица 5

Влияние износа задней поверхности резца на сопротивление усталости титанового сплава

(рис. 41). Увеличение износа резца по задней кромке б3 приводит к некото­

ти с ростом глубины резания (см. табл. 4), видимо, объясняется неблаго­ приятным действием остаточных рас­ тягивающих напряжений, возникаю­ щих при точении.

Концентрация напряжений, возни­ кающая из-за микронеровностей поверхности, — одна из основных при­ чин снижения предела выносливости при грубой обработке поверхности. Наряду с этим влияние оказывают и наклеп поверхностного слоя, и остаточные напряжения в нем, воз­ никающие при механической обработке образцов.

Рис. 41. Влияние подачи при обточке об­ разцов из титанового сплава марки ВТ2 на предел выносливости:

1 — при температуре 400° С; 2 — при 20° С [40]

Предел выносливости может сущест­ венно снизиться из-за повреждений поверхности в процессе шлифования (ожогов и шлифовочных трещин).

Заметное снижение пределов вы­ носливости наблюдают и в тех случаях, когда на поверхности детали в ре­ зультате каких-либо технологических процессов (обезуглероживания, омед­ нения и т. п.) создается мягкий, пусть даже весьма тонкий, слой. В этом случае усталостная трещина, заро­ дившись в мягком поверхностном слое, легко распространяется на все сечение детали. В результате обезуглерожива­

4. Технологические методы повышения сопротивления усталости деталей машин

В настоящее время разработаны и широко используются в промышленно­ сти эффективные технологические ме­ тоды поверхностного упрочнения (наклеп роликами или дробью, по­ верхностная закалка с нагрева т. в. ч., цементация, азотирование, цианиро­ вание и др.), позволяющие повысить пределы выносливости деталей более, чем в 1,5—2 раза, а срок службы в де­ сятки раз.

Основными факторами повышения сопротивления усталости деталей при поверхностном упрочнении являются: увеличение прочности металла по­ верхностного слоя, остаточные сжи­ мающие напряжения в слое и переход очага зарождения усталостной трещи­ ны с поверхности в подслойную об­ ласть. Поэтому эффект упрочнения зависит от взаимного расположения эпюр остаточных и рабочих напряже­ ний, а также механических свойств материала по сечению детали.

Зная критерии упрочнения, зависи­ мости остаточных напряжений и меха­ нических свойств слоя от параметров упрочнения, можно количественно оценить повышение сопротивления усталости и выбрать наиболее эффек­ тивные технологические варианты.

Условия усталостного разрушения — в зависимости от остаточных напряжений и свойств слоя при поверхностном упрочнении

Остаточные напряжения, возникаю­ щие в деталях в результате поверх­ ностного упрочнения, оказывают большое влияние на сопро­ тивление усталости. Эффект упрочне­ ния зависит от знака, величины и ха­ рактера распределения остаточных напряжений по поперечному сече­ нию. На рис. 42 представлены типо­ вые эпюры остаточных напряжений при различных процессах поверхност­ ной обработки [30]. По оси абсцисс от­ ложено относительное расстояние от поверхности Д/г, где Д — расстояние от поверхности, г — радиус образца. Границы упрочненных слоев показаны штрнхпунктирными линиями. Как видно из рисунка,остаточные напряже­ ния па поверхности сжимающие идости­ гают больших величин. Эпюра рас­

пределения остаточных напряжений по поперечному сечению в значитель­ ной степени зависит от режима по­ верхностной обработки.

В работе [29] показано влияние режимов накатывания роликами, диа­ метр которых 100 мм, радиус профиля 8 мм, на прочность металла поверх­ ностного слоя и величину остаточных напряжений в образцах диаметром 180 мм из высокопрочного чугуна. Накатанные образцы разрезаны на диски толщиной 25 мм, в которых определены окружные остаточные на­ пряжения. Результаты исследований представлены на рис. 43.

С увеличением усилия обкатки (что при одном и том же диаметре ролика и радиусе его профиля соответствует повышению удельного давления) сначала растут остаточные сжимаю­ щие напряжения, затем на поверх­ ности возникают нежелательные рас­ тягивающие напряжения, а на глуби­ не 2—5 мм — сравнительно высокие

Указанный характер диаграмм пре­ дельных напряжений при асимметрич­ ном цикле объясняет увеличение пре­ дела выносливости детали.

Распределение механических свойств по сечению

Распределение механических свойств материала по сечению образ­ ца или детали также существенно влияет на эффект упрочнения при различных методах обработки. Одной из наиболее просто определяемых ха­ рактеристик механических свойств ма-

Рис. 48. Зависимость твердости поверх­ ностного слоя при накатке шариком

i 'liaK = 0,26 мм/об):

а — от окружной скорости (Рнак = 700 icrc); б — от числа проходов i (P Halt =

— 500 кге)