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

биной наклепа (определенных по изменению микротвердости) и

ведены эпюры остаточных напряжений для поверхностно-упроч­ ненных сталей. Оптимальными, с точки зрения характера распре­ деления остаточных напряжений, являются усилия обкатки 60 и 80 кГ. С повышением усилия до 160 кГ пик максимальных оста-

104

точных напряжений сжатия перемещается вглубь от поверхности примерно на 20 мкм. В поверхностном слое за счет его разупроч­ нения получен спад остаточных напряжений сжатия па 30—

40кГ1ммя.

Дл я сталей 1Х12Н2ВМФ и 1 Х 1 2 Н 2 М В Ф Б А независимо от исходной твердости в пределах НВ — 285 -f- 375 получен спад сжимающих остаточных напря ­

жений в поверхностном слое уже I при усилии обкатки, равном 40 кГ. JС повышением усилия обкаткис 40 до 80 кГ спад величины оста­

обусловлено большей твердостью стали Х17Н5МЗ . Кроме того, сталь Х17Н5МЗ относится к классу аустенитно-мартенситных и упруго-пластическая деформация поверхностных слоев может при­

личиваются, а выносливость этой стали повышается более заметно. Результаты усталостных испытаний показали (см. табл. 19), что обкатка роликами существенно повысила усталостную и корро- знонно-усталостную прочность мартенситных нержавеющих ста­ лей. Например, предел усталости образцов из стали 15Х16Н2М, подвергнутых упрочнению обкаткой роликами с усилием 80 кГ повысился с 61 до 69 кПмм2, а условный предел коррозионной

105

усталости — в 1,8 раза. Долговечность образцов в области высо­ ких амплитуд напряжений в среде 3%-ного раствора NaCl возросла более чем на порядок.

При исследовании влияния поверхностного упрочнения на по­ вышение усталостной и коррозионно-усталостной прочности ста­ лей 1Х12Н2ВМФ и 1Х12Н2МВФБА изучалось влияние усилия

обкатки и исходной структуры (исходная структура и свойства сталей варьировались за счет изменения температуры отпуска после закалки) на изменение усталостной и коррозионно-усталост­

обкатки объясняется упрочнением поверхностного слоя и наве­ дением сжимающих остаточных напряжений в процессе обкатки.

106

В 3%-ном растворе NaCl обкатка с усилием 40 кГ повышает условный предел коррозионной усталости на 12% (см. рис. 51). С повышением усилия до 80 кГ условный предел коррозионной усталости возрос в 1,5 раза. Результаты коррозионно-усталостных испытаний (сталь 1Х12Н2МВФБА) показали (рис. 53), что обкатка образцов с усилием 60 и 80 кГ повысила условный предел корро-

зионной усталости примерно в 2 раза, а долговечность в области высоких амплитуд н а п р я ж е н и й возросла более чем в 25—50 раз .

Влияние исходной твердости (структурного состояния) упроч­ ненных образцов на изменение усталостной и коррозионно-уста­ лостной прочности приведены на рис. 52 и 54. Сталь 1Х12Н2ВМФ после з а к а л к и и отпуска при 570 или 660° С (НВ 363—285) подвер­ гали обкатке с усилием 80 кГ. Результаты усталостных испытаний показали (см. рис. 51), что независимо от исходной твердости об­ разцов НВ = 285 -f- 363 предел усталости обкатанных образцов повысился иа 26—28%, а условный предел коррозионной уста­

107

к пластической деформации. Условный предел коррозионной уста­ лости обкатанных образцов из стали 1Х12Н2МВФБА возрос в пол­ тора (ЦБ 311) и два (НВ 375) раза. Таким образом, более высокие абсолютные значения пределов усталости и коррозионной уста­ лости достигаются при обкатке сталей с большей статической проч­ ностью.

В литературе встречаются различные мнения о влиянии по­ верхностного наклепа и остаточных напряжений на повышение

выносливости упрочненных образцов [38, 171, 206, 238, 264]. Мы

максимального значения при давлении 50 кГ. Увеличение усилия обкатки до 100 кГ приводит к резкому снижению предела вынос­ ливости, что вызвано ухудшением чистоты поверхности, ее рас­ слоением и шелушением. Аналогичную зависимость от приклады­ ваемого к роликам усилия имеет и условный предел коррозионной усталости при базе 5 X 107 циклов нагружения . В этом случае максимальное повышение условного предела коррозионной уста-

108

Выносливость стали Х17Н5МЗ в результате обкатки резко по­ вышается (рис. 56). Так, при усилии обкатки 100 кГ предел уста­ лости увеличивается на 30%, а условный предел коррозионной усталости — больше чем в 2,5 раза. При этом наряду с повыше­ нием предела усталости примерно в 30—50 раз увеличивается вре­ мя до разрушения в области высоких напряжений. Таким образом, результаты проведенных исследований показывают, что поверх­ ностный наклен как метод повышения выносливости стали Х 1 7 Н 2 в рабочих средах мало пригоден, а при больших усилиях даже ока­ зывает отрицательное влияние. В то же время этот метод весьма эффективен для повышения выносливости и особенно коррозион­ ной выносливости стали Х16Н5МЗ, причем степень упрочнения возрастает при значительных усилиях обкатки (100 кГ). Н и з к а я эффективность поверхностного наклепа для стали Х17Н2 обуслов­ лена, по-видимому, тем, что в стали содержится около 30% мяг­ кой составляющей (б-феррита), расположенной в виде крупных, вытянутых вдоль оси прокатки зерен. В этих зернах в основном происходит локализация пластической деформации, что приводит к большей неравномерности упрочнения по поверхности деталей.

При отработке режимов поверхностной обкатки шариками на стали 35ХН1М было также установлено [119], что число обкаты­ ваний (проходов) больше двух практически не сказывается на дальнейшем увеличении коррозионно-усталостной прочности этой

чины существенного повышения коррозионно-усталостной проч­ ности, авторы работы [119] доминирующую роль отводят остаточ­ ным сжимающим напряжениям и указывают, что собственно по­

Упрочненные детали поверхностным наклепом в процессе их дальнейшей обработки или при эксплуатации могут подвергаться воздействию повышенных температур. Отсутствие эксперимен­

в сложных эксплуатационных условиях (в частности, при цикли ­ ческом нагружении, действии высоких температур, сред и других

109

факторов), а главное, не позволяет более точно определить ресурс упрочненных деталей.

Влияние дополнительного отпуска и температуры испытаний на стабильность физико-механических свойств упрочненного с по­ мощью обкатки поверхностного слоя, а также усталостная и коррозионно-усталостная прочность сталей 1Х12Н2ВМФ и 1Х12Н2МВФБА были изучены в [72]. Результаты исследований показали (рис. 57), что предел усталости обкатанных с усилием

80 кГ образцов, подвергнутых дополнительному отпуску при 200 и 400° С, повышается соответственно на 10 и 5 кГ1мм1. Это допол­ нительное повышение выносливости можно отнести за счет ста­ тического деформационного старения наклепанного слоя, которое связано с блокированием дислокаций атомами углерода и азота, содержащимися в твердом растворе [2241. Механические свойства

проявляется слабее, а предел усталости снижается. Дополнитель­ ный отпуск поверхностно-упрочненных образцов обусловливает частичную релаксацию и перераспределение остаточных сжимаю­ щих напряжений, хотя усталостная прочность после отпуска в

110

указанном диапазоне температур повышается. На основании этих данных можно предположить, что превалирующее влияние на повышение выносливости оказывает увеличение прочности по­ верхностного слоя, а не остаточные напряжения с ж а т и я , хотя по­ ложительного их влияния отрицать нельзя. Эффективность по­ верхностного наклепа для закаленной с 1020° С и отпущенной при 570° С стали 1Х12Н2ВМФ проявилась в повышении усталостной и коррозионно-усталостной прочности как при комнатной, так и при повышенной (400° С) температуре (рис. 58). Поверхностная обкатка образцов с усилием 80 кГ вызвала повышение предела выносливости на 25%, условного предела коррозионной усталости во влажном воздухе — на 40%, а в среде 3%-ного раствора NaCl —

рушения образцов получена на основании фрактографических ис­ следований поверхности излома. Характер поверхности излома

пературе. Коррозионно-усталостное разрушение носит хрупкий характер. Результаты фрактографического исследования поверх­ ности изломов образцов, испытанных в 3%-ном водном растворе NaCl, показали, что зона зарождения усталостной трещины пред­ ставляет собой межзеренное разрушение, а зона ее распростра­ нения — типичное усталостное разрушение с элементами хрупкого разрушения . Из сравнения зоны распространения трещин в об­ разцах, испытанных в воздухе и 3%-ном растворе NaCl, установ­ лено, что количество бороздок при испытании в воздухе больше, они рельефнее и длиннее, расстояние между ними меньше, что свидетельствует о более интенсивном распространении магистраль­ ной усталостной трещины, чем в 3%-ном растворе NaCl. Зарожде­ ние трещины при температуре испытания 400° С с периодическим смачиванием водой имеет более ярко выраженный хрупкий харак­ тер разрушения, чем без смачивания. Середина образца представ­ ляет собой типичный вязкий долом. Эффект поверхностного упроч­ нения (обкаткой роликами) сохраняется в данном случае еще до . 400° С. С увеличением времени испытания при температуре 400° С сопротивление усталости упрочненных образцов снижается более резко, чем образцов без упрочнения. Это, по-видимому, происхо­ дит за счет более интенсивного развития диффузионных процессов

111

отношении повышения усталости и коррозионной усталости нержа­ веющих сталей. Стабильность наклепанного слоя, достаточно высо­ к а я в диапазоне исследуемых температур.

4. Ультразвуковая обработка

Один из перспективных методов повышения прочности деталей машин — ультразвуковая обработка, в частности в маслоабразивной среде. При введении ультразвуковых колебаний в

го преобразователя ЦМС-18 и установки У З Д Н - 1 . Обработку образ­ цов из стали 45 в состоянии поставки проводили в маслоабразивной суспензии (масло АС-8 с присадками поверхностно-активных ве­ ществ и 30—40% карбида бора) при температуре ванны 6 0 ° С [150]. Результаты исследований показали (рис. 59), что режимы ультразвуковой обработки в маслоабразивной среде оказывают заметное влияние на усталостную и особенно коррозионно-уста-

112