книги из ГПНТБ / Похмурский, В. И. Коррозионно-усталостная прочность сталей и методы ее повышения

закалки т. в. ч. на усталостную и коррозионно-усталостную проч­ ность образцов из стали 45 в воде, 3%-ном растворе NaCl, серово­ дородной воде и воздухе. Результаты исследования показали, что поверхностная закалка приводит к повышению предела вы­

агрессивности коррозионной среды. С учетом того что поверхност­ ная закалка т. в. ч. не оказывает существенного в л и я н и я на изменение коррозионной стойкости образцов в ненапряженном состоянии, основной причиной повышения коррозионной выносли­ вости образцов, подвергнутых закалке т. в. ч., считают [67 | оста­ точные сжимающие напряжения .

93

В связи с широкими исследованиями в области новых методов упрочнения, основанных на совмещении пластической и термиче­ ской обработки стальных деталей в одном технологическом цикле, называемых термомеханической обработкой (ТМО), автором сов­ местно с Г. В . Карпенко изучено влияние такого упрочнения на усталостную и коррозионно-усталостную прочность углеродистой стали [151, 152, 161, 162, 163]. Термомеханическую обработку заготовок образцов диаметром 6 мм из стали 45 проводили на спе­ циальном приспособлении. Заготовки с различной скоростью на­ гревались до температуры аустенизации (850—1050° С), дефор­ мировались на различные углы скручивания (до 0,97 рад/мм) и не­ медленно закаливались в масле.

Деформация внешних волокон при скручивании ег определя­ лась по формуле [174]:

в течение 1 ч. Применение электронагрева при аустенизации по­ зволило изучать влияние скорости нагрева на эффективность ТМО. Усталостная и коррозионно-усталостная прочность изуча­

незначительная пластическая деформация при высокотемператур­ ной термомеханической обработке (ВТМО) (ех = 0,12) мало влияет на средний размер и форму зерен аустенита. При увеличении сте­ пени деформации до е г = 1,0 и более количество зерен аустенита в единице площади шлифа резко возрастает за счет появления большого количества мелких рекристаллизованных зерен. Про­ цесс рекристаллизации интенсифицируется с увеличением темпе­ ратуры деформации. Кроме того, при больших степенях дефор­ мации в закаленной стали появляется значительное количество

94

продуктов немартенситпого превращения за счет увеличения кри­ тической скорости закалки, т. е. интенсификации процесса изотер­ мического превращения аустенита после его пластической дефор­ мации. Таким образом, в случае малых степеней деформации при ВТМО мартенсит образуется только из деформированного аусте­ нита, что вызывает повышение прочности. Снижение прочности с увеличением степени пластической деформации стали 45 при ВТМО выше оптимального диапазона, вероятно, можно объяснить различием механических свойств мартенсита, образовавшегося из деформированных аустенита и мартенсита, полученного из рекри-

калки . Следует отметить, что ВТМО стали наряду с повышением предела усталостной прочности приводит к уменьшению разброса экспериментальных точек. Аналогичная зависимость нолучепа

коррозионно-усталостной прочности стали (рис. 45). Условный предел коррозионно-усталостной прочности стали 45 после конт­ рольной закалки при базе испытания 5 X 107 циклов нагружения составляет примерно 4 кГ/мм2. После пластической деформации аустенита перед закалкой наблюдается повышение условного пре­ дела коррозионно-усталостной прочности. С повышением удель­

что примерно в 2,5 раза превышает условный предел коррозионноусталостной прочности стали после контрольной закалки . Увели­ чение удельного угла скручивания при ВТМО до 0,97 рад/мм снижает условный предел коррозионно-усталостной прочности при одновременном увеличении (в 7—8 раз) области ограниченной выносливости. Эффективность ВТМО повышается с увеличением базы испытания образцов. Повышение скорости нагрева при конт­ рольной закалке от 5 до 30 град/сек практически не влияет на

95

изменение коррозионно-усталостной прочности изучаемой стали. Влияние ВТМО на коррозионно-усталостную прочность хорошо

в течени е 180 ч не влияет на характер изменения выносливости,

стойкость стали 45 в растворе серной кислоты по сравнению с обыч­ ной закалкой . При повышении степени пластической деформации

96

до е1 — 1,0 и выше коррозионная стойкость термомеханически обработанной стали становится ниже, чем стойкость стали после обычной закалки . При повышении температуры отпуска стали от 110 до 220° С влияние ВТМО на изменение коррозионной стойкости сказывается сильнее. Это можно объяснить, по-видимому, более полным снятием внутренних напряжений, понижающих коррозион­ ную стойкость. При повышении температуры отпуска до 300° С эффективность влияния ВТМО на коррозионную стойкость сильно снижается, а при отпуске 450° С — почти полностью отсутствует. Кроме того, отпуск при 450° С существенно снижает коррозион­ ную стойкость стали после всех режимов ВТМО, включая и обыч­

в растворе соляной кислоты показали, что коррозионная стойкость монотонно возрастает с увеличением степени пластической дефор­ мации при ВТМО вплоть до ех = 2,4. При этом коррозионная стой­ кость увеличивается по сравнению с обычной закалкой более чем на 50%. С повышением скорости нагрева при аустенизации до

Результаты электронно-металлографических исследований и карбидный анализ показали, что незначительная пластическая деформация при ВТМО стали (s1 = 0,1) мало изменяет рельеф­ ность мартенсита, но до некоторой степени уменьшает количество карбидной фазы (табл. 17), что, по-видимому, является причиной

повышения коррозионной стойкости термомеханически обработан­ ной стали, так как в этом случае уменьшается количество микро­ катодных участков и, следовательно, их общая работа. Это и при­ водит к уменьшению скорости коррозионного процесса.

Уменьшение количества карбидной фазы и повышение корро­ зионной стойкости стали с увеличением степени пластической де­ формации при ВТМО носит -затухающий характер. Это можно объяснить рекристаллизацией сильно деформированного аустенита, т. е. возникновением большого количества рекристаллизованных зерен. Распад мартенсита, образовавшегося из рекристаллизованных зерен, по-видимому, протекает так же быстро, как и мартенсита, полученного при обычной закалке. При большой пла-

ческой деформации при ВТМО, причем это увеличение также но­ сит затухающий характер. Поскольку тетрагональность мартен­ сита зависит от содержания в а-твердом растворе углерода, то при постоянном термическом режиме для стали одной плавки по из­ менению параметров решетки мартенсита можно судить о влиянии степени пластической деформации при ВТМО на количество раство­

Упрочнение деталей с помощью так называемого белого слоя, возникающего в результате специальных видов их механической обработки, представляет определенный научный и практический интерес. В работах [9, 64, 69 J показано, что в результате точения но определенным режимам закаленных стальных деталей на их поверхности образуется тонкий слой вторичной закалки, состоя­ щий из высокодисперсного нетравящегося мартенсита («белый

98

слой»), известного под названием полосок Крауз - Тарнавского . Возникновение белых слоев является следствием импульсного на­ грева локальных объемов до температур выше критических, их деформации резцом и резким охлаждением (закалка) за счет от­ вода тепла, главным образом, вглубь обрабатываемой детали. Режимы получения белого слоя существенно зависят от состояния и свойств обрабатываемого металла (твердость, теплопроводность,

рые изложены в монографии [69] и являются предметом дальнейшего усовершенствования, рассмотрим кратко влия ­ ние такой обработки на усталостную и коррозионно-усталостную прочность некоторых сталей. Установлено, что при наличии на поверхности образца из стали ШХ15 сплошного белого слоя тол­

эффект получен на стали 40Х. Определение усталостной прочности

ной и особенно коррозионно-усталостной прочности образцов с бе­ лым слоем объясняется [69 | высокой прочностью этого слоя, его более положительным электродным потенциалом по отношению к основному металлу, а также действием значительных но величи­ не (иногда превышающих 500 кГ /мм2) остаточных сжимающих на­ пряжения, Возможность появления столь высоких остаточных на­ пряжений объясняется объемностью напряженного состояния. По­ лученные данные позволяют заключить, что такой вид обработки может быть эффективным методом повышения усталостной и осо­ бенно коррозионно-усталостной прочности деталей из восприни­ мающих закалку сталей.

Эффективным оказался метод повышения коррозионно-устало­ стной прочности сталей с помощью электромеханического упроч­ нения [9, 69]. Сущность этого метода сводится к нагреву поверх­ ности деталей электрическим током и силовому воздействию на разогретый металл инструмента, т. е. к, своего рода, термомеха­ нической обработке. С помощью электромеханического упрочне­ ния удалось в три раза повысить условный предел коррозионноусталостной прочности бурильных труб диаметром 114 мм в бу­ ровом растворе и полностью устранить поломки по резьбе [83].

Нанесение V-образных концентраторов напряжений с помощью обкатки роликами с последующим термическим воздействием (ста­ рением) или нолигонизацией (механотермической обработкой) по­ зволило повысить коррозионно-усталостную прочность образцов из стали 1Х18Н9Т примерно в два раза по сравнению с образцами, на которых концентраторы (глубина 4 мм, радиус при вершине 0,05—0,08 мм) изготовляли с помощью шлифовки [210]. Харак ­ терно, что изменение давления на ролик при обработке в интервале 76—228 кГ не оказало существенного влияния на коррозионно-

3. Поверхностный наклеп

В настоящее время установлено, что при всех видах циклического нагружения, за исключением осесимметричного рас­ тяжения — сжатия, разрушение детали начинается в основном с ее поверхности, где сосредоточено наибольшее количество де­ фектов и действуют максимальные напряжения от внешних нагрузок. Поверхностный наклеп (обкатка роликами, обдувка дро­ бью, виброгалтовка, гидродробеструйная обработка, инерционнодинамическое упрочнение и т. д.) — один из наиболее часто встре­ чающихся и хорошо зарекомендовавших себя на практике методов поверхностного упрочнения деталей машин.

100

усталостной прочности небольших образцов из углеродистых и

ше. Более эффективной является обкатка для деталей, работаю­ щих на циклический изгиб и растяжение — сжатие, и менее эф­ фективной — для деталей, подвергнутых циклическому кручению. Использование вибрирующего ролика позволяет увеличить глу­

выносливости при 535° С для гладких образцов на 10—25%, а дл я образцов с концентраторами напряжения — на 40—90%. Д л я стали 1Х18Н9Т вследствие ее высокой стабильности при повышен­ ных температурах повышение усталостной прочности в результате наклепа сохраняется и при 600—700° С [101].

В последнее время в химической, авиационной и других отра­ слях промышленности широко применяются высоколегированные нержавеющие стали мартенситного класса, которые, как было показано выше, нуждаются в дополнительном упрочнении. В связи с этим исследовалась эффективность поверхностного наклепа об­ каткой роликами для повышения усталостной и коррозионно-уста­ лостной прочности различных нержавеющих сталей (1Х12Н2ВМФ

няющей обработки — основной технологический параметр, с чьей помощью можно управлять усталостной прочностью детали. Об­ разцы перед обкаткой подвергались термической обработке по оптимальным режимам, обеспечивающим хорошее сочетание уста­ лостной и коррозионно-усталостной прочности. Д л я получения требуемой точности и геометрической формы образцы после точе­ ния подвергались шлифованию. Обкатка образцов производилась

101

в два прохода при продольной подаче 0,07 мм/об и скорости вра ­ щения образца 125 об/мин. Давление (усилие) на ролик измеря­ лось в процессе обкатки прибором ИСД-3 с помощью специального динамометра и тензометрических датчиков сопротивления ПКП-20-200. Динамометр тарировали статически и строили тарировочную кривую. Усилие обкатки назначалось с точностью до од­ ного килограмма. В качестве смазки применялось машинное масло. Д л я получения сопоставимых результатов обкатка производилась при изменении только усилия в пределах от 40 до 200 кГ на ролик при неизменных остальных параметрах. С учетом того что обкатка изменяет микрогеометрию поверхности, во многом определяющую выносливость стали, после обкатки с различным усилием измеря­

са . Это объясняется тем, что с возрастанием усилия обкатки уве­ личивается зона пластического смещения и микропрофиль иска­ жается в большей степени, т. е. поверхность приобретает волни­ стый профиль. Если шлифованная поверхность имеет острые и глубокие надрезы, которые являются эффективными концентратора­ ми напряжений при циклических нагрузках, обкатка значительно уменьшаем глубину и увеличивает радиус скругления острых над­ резов и рисок. Повышение усилия до 120 кГ при обкатке образ­ цов из сталей, термически обработанных на сравнительно н и з к у ю исходную твердость (НВ 285—311), привело к образованию на поверхности образцов небольших рванин, а при повышении уси­ л и я до 200 кГ — к полному разрушению поверхностного слоя пу­ тем трещиннообразования и шелушения . Д л я сталей с большей исходной твердостью (НВ 352—375) начало разрушения упрочнен­ ного слоя смещается в сторону больших усилий обкатки, что свя­ зано с увеличением предела текучести стали. Д л я сталей с боль­ шей исходной твердостью (НВ 363—375) (табл. 19) повышение усилия обкатки от 40 до 80 кГ вызывает повышение микротвер­ дости поверхностных слоев до 30%. Стали с меньшей исходной твердостью (НВ 285—310) более восприимчивы к поверхностному наклепу, и при тех же параметрах обкатки степень наклепа со­ ставляет 25 —40%. Стали с низшей исходной твердостью имеют несколько большую глубину наклепа, чем стали с высшей исход­ ной твердостью.

Можно предположить, что основным фактором поверхностного упрочнения сталей является изменение тонкой структуры, так как фазовых превращений в процессе обкатки рентгеноструктурным анализом в нашем случае не обнаружено. Из данных табл. 19 видно, что не всегда имеется корреляция между степенью и глу-

102