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

и наводороживающей средах качественно остается таким же, как для образцов без концентратора напряжений, однако по абсолют­ ному значению выносливость образцов с концентратором значи­ тельно меньше [191].

Влияние на эффективность действия концентратора напряже ­ ний при коррозионной усталости зависит от технологии его полу­ чения. В работе [11] исследовано влияние одной и многих кольце­ вых канавок, а также резьбы М10 X 1,5 и М10 X 1,0, полученных разными технологическими методами (шлифовкой, нарезкой рез­

усталости образца с концентратором, полученным методом шли­ фовки, составляет 5 кГ/мм2, а методом накатки — 11 кГ'1мм2. Другие технологические процессы обеспечивают средние значения условных пределов коррозионной усталости. Кроме того, было показано, что, если метод изготовления концентраторов напря­ жения не приводит к существенным изменениям структуры п фи­ зико-механического состояния металла, как это имеет место при шлифовке, то циклическая прочность увеличивается при переходе

Известно, что концентраторы н а п р я ж е н и й резко снижают усталостную прочность стальных деталей в воздухе и в некоторых рабочих средах. Однако эффективность действия концентраторов напряжений при прочих равных условиях определяется еще и аг­

металла впадины и выступа концентратора. К сожалению, прямых

риваемого вопроса. В работе [45] показано, что электродный по­

висит от технологии изготовления этих концентраторов (табл. 12). Электродный потенциал металла выступов во всех случаях был более положительным, чем во впадинах. Наибольший отрицатель­ ный электродный потенциал наблюдали во впадинах канавки,

63

полученной пластической деформацией, наименьший — у шлифо­ ванных концентраторов. В то же время у образцов с концентрато­ рами, полученными пластической деформацией, разность элект­ родных потенциалов между выступами и впадинами меньше, чем у образцов со шлифованными концентраторами. Таким образом, термодинамически неизбежно более интенсивное разъедание дна концентратора напряжений, полученного шлифовкой.

Д л я более тонких исследований структурно напряженного состояния может оказаться полезным предложенный в работе [70] способ определения механических напряжений, основанный на

рения напряжений в микрообъемах исследуемого материала об­ разец погружается в электролит, содержащий окислитель, кото­ рый не увеличивает электропроводность раствора, и компоненты, способные депассивировать поверхность образца.

Результаты исследований [18] показали, что концентраторы напряжений (теоретический коэффициент концентрации 2,33) за­ метно снижают предел выносливости нержавеющих сталей (рис. 31). Существенное снижение (с 49 до 17,5 кГ 1мм2) имеет место для стали Х 1 7 Н 2 , тогда как д л я стали Х17Н5МЗ предел выносли­ вости снизился всего с 50 до 34 кГ 1мм2. На основании полученных данных можно было бы сделать вывод о том, что сталь с более вы­ сокой твердостью (для стали Х17Н5МЗ HRC =^40) менее чувстви­ тельна к концентрации напряжений, чем сталь с более низкой

резцом сталь Х17Н5МЗ наклёпывается значительно сильнее, чем сталь Х 1 7 Н 2 , что несомненно сказалось на упрочнении дна кон­ центратора. Д л я подтверждения сказанного была проведена пред­ варительная электрохимическая коррозия образцов из указанных сталей в приспособлении, показанном на рис. 11, по режимам, обеспечивающим получение точечных поражений, аналогичных тем, которые имеют место в практике эксплуатации. Естественно, что коррозионные язвы и другие поражения будут выступать в

64

роли концентраторов н а п р я ж е н и й и снижать циклическую проч­ ность. Предварительная коррозия, осуществляемая электрохи­ мическим способом в условиях данного эксперимента, снижает пре­ дел выносливости обеих сталей примерно на одинаковую величину (рис. 32). В случае предвари­ тельной коррозии на поверх­ ности образцов образуются мел­ кие раковины, язвы, имеющие

48 \

вид типичной питтинговой коррозии . Некоторое влияние на сниже­ ние пределов коррозионной выносливости оказывает также и умень­ шение сечения образца в результате электрохимического коррози­ онного процесса. Поскольку учесть действительную площадь по­ перечного сечения после предварительной коррозии практически невозможно, для подсчета напряжений принимался исходный диа­ метр образца. Таким образом, полученные результаты подтверж­ дают сделанный ранее вывод о том, что заниженная чувствите т ность стали Х17Н5МЗ к концентрации н а п р я ж е н и й вызывается упрочнением концентратора при его изготовлении. В случае изготовления концентраторов электрохимическим методом, ис­ ключающим поверхностный наклеп металла, чувствительность

сталей Х 1 7 Н 2 и Х17Н5МЗ оказалась примерно одинаковой и

а1 ж 39 кГ 1мм2.

Коррозионная среда (3%-ный раствор NaCI) значительно мень­ ше снижает условный предел коррозионной выносливости образ­

амплитудах напряжений было несколько меньшим. В результате испытаний установлено, что образцы из стали Х17Н5МЗ с концент­ ратором напряжений имеют более высокий условный предел кор­ розионной выносливости, чем гладкие. Это увеличение составляет приблизительно 10 кГ 1мм2. Д л я образцов, подвергнутых электро­ химической коррозии, выносливость и особенно условный предел коррозионно-усталостной прочности находятся значительно ни­ же, чем для гладких образцов, и ниже, чем у образцов с концент­ раторами напряжений, нарезанными резцом. Полученные данные, по всей вероятности, можно объяснить как различной геометрией и структурно-напряженным состоянием металла на дне концент­ ратора, так и тем, что для образцов, подвергнутых предваритель­ ной коррозии, при расчете напряжений не учитывалось уменьше­ ние опасного сечения образца. Отсутствие заметного влияния кон­ центраторов напряжений на коррозионную выносливость сталей по сравнению с их влиянием при испытании в воздухе можно объяс­ нить причинами, изложенными выше.

При испытании образцов из стали 1 Х 1 2 Н 2 М В Ф Б А нами по­

чению коррозионно-усталостной прочности, т. е. имеет место так называемая инверсия масштабного фактора в коррозионной среде, речь о котором пойдет ниже. Однако существует мнение, что этот

и положительное влияние масштабного эффекта на коррозионноусталостную прочность связаны с проявлением коррозионного фактора, авторы работы [27] предположили, что для материалов, обладающих высокой коррозионной стойкостью в испытываемой

и масштабного фактора будет примерно таким, как в атмосферных условиях. Результаты проведенных ими опытов на образцах диа-

fi6

подтвердили правильность такого предположения. При испыта­

рабочей части образца непосредственно или через продукты кор­ розии протекал фретинг-процесс, который существенно снижает усталостную прочность сталей [184].

Анализ литературных данных и результаты исследований ряда нержавеющих сталей и титановых сплавов, обладающих высокой коррозионно-усталостной прочностью, позволяют заключить, что коррозионная среда типа нейтральных электролитов ослабляет действие концентраторов н а п р я ж е н и я с точки зрения изменения выносливости образцов.

3. Состояние поверхности

Состояние поверхности — важнейший фактор, оказы­ вающий существенное влияние на усталостную и коррозионноусталостную прочность сталей, поскольку этот процесс разруше ­ ния, как правило, начинается с поверхности [63,67,177 и др.].

67

р а з у п р о ч н я ть поверхностные слои, понятие «состояние поверх­ ности» включает также такие геометрические факторы, как чистота поверхности, величина и форма выступов и впадин и т. п. Вопросу исследования в л и я н и я состояния поверхности на усталостную и

неоднородность физико-химических свойств поверхностных слоев металла, дефектность структуры и т. п., вызывающие ухудшение несущей способности деталей при их циклическом деформирова­ нии в воздухе и коррозионной среде.

Скоростное точение является упрочняющим видом обработки, повышающей не только производительность труда, но и улучшаю­ щей качество поверхности. При скоростном резании возникают, как правило, остаточные н а п р я ж е н и я сжатия, при силовом — рас­

68

условный предел коррозионпо-усталостной прочности в 3% - ном растворе NaCl при базе 5 X 107 циклов после шлифования алмаз­ ным, борозонным и электрокорундовым кругами составляет соот­ ветственно 6,5; 2,5 и 1,75 кГ/мм2 [12]. Д л я закаленной стали 40Х наблюдается т а к а я же закономерность, однако различие в величи­ не условного предела коррозионной усталости значительно мень­

П р и алмазном шлифовании вследствие лучших р е ж у щ и х свойств алмазов температура и давление в зоне контакта круга и изделия меньше, чем при электрокорундовом. Поэтому в поверх­ ностных слоях закаленных сталей обнаружено некоторое повыше­ ние микротвердости и наличие остаточных сжимающих н а п р я ­ жений до 90—120 кГ 1мм2. Появление сжимающих н а п р я ж е н и й объясняется [12] благоприятными фазовыми превращениями в по­ верхностных слоях в результате пластической деформации, что при­ водит к уменьшению количества остаточного аустенита. Пр и элект­ рокорундовом шлифовании количество остаточного аустенита уве­ личилось. Остается неясным, почему при столь значительных сжимающих напряжениях, возникающих в поверхностных слоях об­ разцов в результате алмазного шлифования, были получены такие ничтожные приращения предела усталостной прочности (в воздухе на 6%, а в коррозионной среде на 1—4,5 кГ/мм2). Это тем более непонятно, если учесть, что чистота и качество поверхности стали после алмазного шлифования выше, чем при шлифовании электро­ корундовыми кругами .

Влияние технологии изготовления образцов из н е р ж а в е ю щ и х сталей на их усталость в воздухе и коррозионной среде нами изу ­ чалось на сталях Х 1 7 Н 2 и Х17Н5МЗ [155]. Образцы изготовлялись по следующим технологическим вариантам .

580° С — 2 ч). После этого образцы проходили окончательную то­ карную обработку и для снятия технологического наклепа от то­ чения повторно отпускались при 550° С (выдержка 2 ч). В каче­ стве финишной обработки применяли механическую шлифовку.

Второй вариант. Образцы проходили такую ж е термическую обработку, как при первом варианте, только повторный отпуск при 550° С осуществлялся уж е после шлифовки. Финишная обра­ ботка заключалась в зачистке рабочей поверхности образцов от окислов тонкой шлифовальной шкуркой .

Сталь Х17Н5МЗ . Первый вариант. Заготовки нормализо­ вали при 950° С в течение 1,5 ч с последующей обработкой хо­ лодом (—70° С) в продолжение 2 ч, после чего осуществляли

68

окончательную обточку. Д л я дальнейшего упрочнения, а также для снятия технологического наклепа и остаточных напряжений от токарной обработки образцы отпускались при 450° С в течение 2 ч. Окончательной операцией при изготовлении образцов была шлифовка.

результаты металлографических исследований, не внес существен­ ных изменений в структуру сердцевины образцов, однако вызвал повышение предела выносливости стали Х17Н2 и Х17Н5МЗ соот­ ветственно до 49 и 50 кГ/мм2, что составляет более 25%. Если учесть, что при изготовлении образцов применялась одинаковая термическая и механическая обработка, то существенное повыше­ ние предела выносливости сталей, обработанных по второму тех­ нологическому варианту, следует отнести за счет снятия при по­ вторном отпуске в поверхностных слоях образцов остаточных на­ пряжений растяжения, которые возникают при шлифовке, а также в результате повышения на 2—3 класса чистоты поверхности ра-

70

бочей части образцов. Поскольку повышение выносливости стали,

интересно оценить долю влияния каждого фактора в отдельности.

пуска (третий технологический вариант) показали (см. рис. 35), что в этом случае вследствие повышения чистоты поверхности

пряжений . Необходимо отметить, что на статическую прочность при кратковременном разрыве исследуемые технологические ва­ рианты изготовления образцов не оказывают существенного влия­ ния. На основании полученных результатов д л я повышения вы­ носливости указанных сталей нами был предложен дополнитель­ ный отпуск для снятия остаточных растягивающих напряжений, возникающих при шлифовке. В присутствии коррозионной среды (3%-ный водный раствор NaCl) условный предел коррозионной выносливости сталей Х 1 7 Н 2 , Х17Н5МЗ резко (в 2,5—3 раза) снижается и приближается к значениям, полученным для нелеги­ рованной углеродистой стали с перлитоферритной или сорбитной структурой, обладающей коррозионной стойкостью в десятки раз меньшей, чем нержавеющие стали. Таким образом, еще раз подтвер­

меньше влияет на коррозионную выносливость сталей, чем на их выносливость в воздухе, что, очевидно, связано со значительно

но формирует физико-механические свойства деталей [67 ]. Н а вы­ носливость существенное влияние будет оказывать предшествую­ щая обработка (например, параметры точения), т. е. проявляется так называемая технологическая наследственность.

Шлифованные образцы из стали 45 имеют предел усталости и коррозионной усталости меньший, если предшествующая меха­ ническая обработка осуществляется силовым резанием; если точе­ ние проводилось скоростным методом, то после шлифовки упроч­ нение, внесенное предшествующей механической обработкой, со­ храняется (рис. 36). По абсолютному значению величина пределов выносливости как в воздухе, так и в коррозионной среде несколько иная, чем без шлифовки [69].

71

По нашему мнению, понятие «технологическая наследственность» условное. Ее проявление будет определяться соотношением глубин изменений физико-механических и электрохимических свойств ме­ талла при предшествующей и последующей обработках. Если фи­ нишная операция, например шлифовка, предусматривает удаление

Наиболее опасный вид поражения — ножевая и язвенная кор­ розия, так как в этом случае поражения либо резко уменьшают живое сечение детали, либо выступают в роли эффективных кон­ центраторов напряжений, существенно снижающих выносливость сталей. Наименее безопасной является равномерная коррозия .

Вид коррозионного поражения зависит, главным образом, от химической и структурной однородности металла, технологии об­ работки деталей, условий воздействия среды и т. д. Влияние пред-

1 Имеется в виду не только толщина слоя, структура которого при метал­ лографическом анализе отличается от структуры сердцевинных зон металла, но и более глубокие изменения в тонкой структуре, неразличимые при ме­ таллографическом анализе.

72