книги из ГПНТБ / Филяев А.Т. Исследование износостойкости сталей, упрочненных наклепом

сопротивление полей напряжений, существующих около других дислокаций, массовое развитие которых порожда­ ет иаклеп. При этом повышается энергетический уровень металла, способствующий увеличению диффузионного проникновения наклепа. Пропорционально степени пла­ стической деформации уменьшается плотность металла, что объясняется увеличением количества дислокаций и вакансий в наклепанном металле [125, 134, 178].

Вследствие повышения энергетического уровня в де­ формированном поверхностном слое металл находится в структурно-неустойчивом состоянии и в нем спонтанно (самопроизвольно) возникает явление отдыха. Это объ­ ясняется термодинамически неизбежным стремлением дислокаций взаимоуничтожаться пли принимать такую конфигурацию, которая соответствовала бы наименьше­ му энергетическому уровню, т. е. меньшему числу дисло­ каций.

Наклеп металла, как считает большинство авторов,— процесс полностью обратимый. Исходные свойства ме­

деформированного металла при нагреве, является пере­ распределение дислокаций с уменьшением энергии кри­ сталлической решетки, но без заметного уменьшения числа дислокаций, если степень пластической деформа­ ции не велика. Если же температура достигает темпера­ туры рекристаллизации, равной примерно 0,4 Тпл (Тпл — абсолютная температура плавления металла), возможно полное исчезновение наклепа. При этом явлению отдыха способствует и упругая деформация наклепанного ме­ талла. Наклеп в оптимальных пределах приводит к уп­ рочнению материала. Опыты подтвердили, что в боль­ шинстве случаев наклеп приводит к упрочнению поверх­ ностных слоев, но иногда при чрезмерных усилиях обкатки и большом числе проходов или недостаточной смазке наблюдается явление «перенаклепа». В этих случаях поверхностный слой разрыхляется, появляются трещины, наблюдается шелушение поверхности, отслаи­ вание металла. В поверхностном слое обрабатываемой детали появляются обособленные кристаллические зер­ на-кристаллиты. Разупрочнение происходит при исчер­ пании способности кристаллической решетки упроч­ няться [61].

50

По мнению И. А. Одинга, чрезвычайно большое скоп­ ление дислокаций приводит, как правило, к возникнове­ нию субмикротрещин. Микротрещины образуются за счет срыва неподвижных дислокаций и служат элемен­ тами, способствующими разрушению металла. Поэтому при упрочнении стали методом пластического деформи­ рования на эффект наклепа в каждом случае оказывает большое влияние режим упрочнения [35, 113].

«Перенаклеп» — процесс необратимый (любое повы­ шение температуры не восстанавливает исходных свойств металла). Однако в последнее время все чаще стали го­ ворить о «наследственности» наклепа, о том, что даже незначительные пластические деформации полностью не снимаются нагревом и оказывают впоследствии влияние на свойства сталей [15, 137].

Таким образом, можно считать, что при обработке стальных деталей поверхностным наклепом пластическая деформация сопровождается возникновением дислока­ ций и представляет одно из следствий их плотности. Она зависит от дислокаций как таковых и от их коллектив­ ного поведения. Это же подтверждается и выполненными исследованиями: увеличение напряжения в зоне контак­ та ролика с поверхностью детали при обкатывании при­ водит к росту дислокаций до 10й на 1 см2, к увеличенно­ му наклепу, повышению твердости поверхностного слоя стали. Упрочнение стали при пластическом деформиро­ вании связано с определенным взаимодействием дисло­ каций.

3. Давление в зоне контакта ролика с деталью

Решение сложных проблем надежности и долговечно­ сти современных машин становится невозможным без глубокого экспериментального и теоретического изучения закономерностей поверхностного упрочнения деталей ма­ шин, повышения их износостойкости и усталостной проч­ ности [27, 147].

Упрочняющий эффект — увеличение твердости, изме­ нение микроструктуры, повышение износостойкости дета­ лей, работающих в условиях смазки, объясняется улучше­ нием фнзнко-механическнх характеристик материала, что во многом зависит от технологических режимов обработ­ ки. В этой связи большой теоретический и практический

интерес представляет изучение закономерностей измене­ ния давления в зоне контакта инструмента с деталью н причин, вызывающих разную степень деформации. Кроме того, давление в зоне контакта может из объекта иссле­ дования превратиться в орудие исследования, напримердля определения и характеристики твердости мате­ риалов.

В теоретическом отношении процесс обкатывания на­ ружной цилиндрической поверхности роликом с профиль­ ным радиусом является случаем сжатия двух тел, перво­ начально касающихся в одной точке.

С приложением к ролику усилия Р наряду с упругой деформацией происходит пластическая деформация обра­ батываемой детали как более мягкой по сравнению с ин­ струментом. При этом область контакта цилиндра и роли­ ка изменяется, она приобретает форму части эллипсоида, т. е. в дальнейшем с некоторыми допущениями контакт ролика и цилиндра можно рассматривать как задачу о давлении на упругое полупространство жесткого цилин­ дрического штампа с эллиптическим сечением. Если до­ пустить, что основание штампа идеально гладкое, поверх­ ность соприкосновения чрезвычайно мала, тела однород­ ны и действующее усилие направлено нормально к по­ верхности контакта, то можно принять, что напряжения во всех точках контакта одинаковы и зависят только от усилия, приложенного к ролику. В этом случае с некото­ рым приближением можно использовать зависимости Герца и Н. М. Беляева [14, 32] для определения кон­ тактных напряжений.

Согласно выводам авторов, при передаче нагрузки че­ рез ролик на вал наибольшие напряжения по нормали к поверхности изменяются по кривой 5 (рис. 7, t — глубина деформированного слоя, х — предел текучести материала при сдвиге). Зона пластической деформации лежит выше образующей, а упругих — ниже образующей а—а. Разу­ меется, что вследствие наличия пластических деформаций в поверхностной зоне эпюра будет иметь несколько иной вид. Обозначив через q корень уравнения, через а и b по­ луоси эллипса, можно записать уравнение эллипса, органичивающего область контакта,

52

где л', у, z — ординаты в прямоугольной системе коор­

динат.

В этом случае полуэллипсоид, изображающий харак­ тер распределения нормальных напряжений по площади соприкосновения, определяется уравнением

3Р

3Ріі~гРі2 "ГРаі“ГР2 2

Р— радиальное усилие, приложенное к ролику; рь р2 — коэффициент Пуассона; Е\\ Е2— модули упругости ро­

ликов и образцов; рц; рі2 — радиусы кривизны роликов; р2 і; р2 2 — радиусы кривизны образца; п; ѵ2— коэффи­

циенты, учитывающие кривизну роликов и образца в ме­ сте их взаимного касания, найдены из графика по вспомо­ гательному углу Ѳ (рис. 8):

Рис. 7. Контактная задача при обкатывании наружной цилиндриче­ ской поверхности роликом

53

Ввиду того что величины Ей Е2; ц2; ц2 исследуемых материалов численно друг от друга отличаются мало, при­ нято среднее значение для всех сталей £ = 2- ІО4 кГ/млР\ ,11= 0,3.

От силы, передаваемой через ролик на цилиндричес­ кую поверхность, наибольшие напряжения возникнут по напралвеншо осп г; напряжения по осям х и у, располо-

Рис. 8. Изменение коэффициента кривизны роликов и образца в месте их касания в зависимости от угла Ѳ

Если для упрощения расчетов вместо аИакс взять аср, равное среднему давлению в зоне контакта, то можно при­ нять:

Если (70р взять равным crs материала, то, зная а и Ь, можно определить усилие Р, необходимое при обкатыва­ нии детали:

где /( — коэффициент, учитывающий профиль ролика.

54

Критерием для приближенного определения припуска под обкатывание при условии абсолютно жесткой системы СПИД может служить величина сближения центров ро­ лика и детали, которую приближенно можно определить из выражения:

найдено по графику в зависимости от cosö (рис. 9). Исходя из положении [14, 32], И. Я- Штаерман [171]

нашел, что в случае сжатия двух упругих тел, первона­ чально касающихся в одной точке,

Принимая напряжения на осях х и у, расположенных в плоскости касания, равными нулю, получим

Рис. 9. График значении интеграла I для cos Ѳ в пределах от 0 до 1

55

Для упрощения решения поставленной задачи можно принять эксцентриситет е эллипса касания инструмента п детали равным нулю, т. е. а = Ь.

Для этого случая

,з / 3 ( 1- а) P R

УЕ

где р — коэффициент Пуассона; Р — усилие, приложен­ ное к ролику,; R — величина, характеризующая кривизну контактируемых тел; Е ■— модуль упругости.

Для стали а^0,051 У Р R, R найдено из выражения l/R = 2/d±2/D + l/p.

Величина сближения упругих тел при контакте, по И. Я- Штаерману, может быть найдена из выражения

Таким образом, если известно os материала, найдены а и Ь, можно определить усилие Р, необходимое при обка­ тывании деталей. Припуск под обкатывание может быть принят равным величине сближения центров детали н ин­ струмента. Расчетные значения этих величии в каждом конкретном случае должны быть уточнены опытным пу­ тем, так как зависимости Герца и И. Я- Штаермана реаль­ ны лишь в зоне упругих деформаций. Значения расчетных величин по Герцу, И. Я- Штаерману и Ю. Г. Проскуря­ кову приведены в табл. 4 [121].

Исследования показывают, что в области упругих де­ формаций с увеличением усилия на ролике давление в зо­ не контакта увеличивается. Известно, что соотношение между усилием вдавливания и размерами отпечатка в большинстве случаев определяют из формул Герца п И. Я- Штаермана. Однако при достижении усилия свыше определенной величины эти формулы не отражают дей­ ствительного состояния металла в пластичной зоне.

Для определения среднего давления в зоне контакта можно применить эмпирический закон Мейера [117]. Давление на поверхности отпечатка при условии отсут­ ствия трения между роликом и деталью можно принять равным отношению усилия вдавливания ролика к площа-

56

5 7 -

ди проекции отпечатка на плоскость, касательную к ци­ линдру, т. е.

такта были проведены па тех же образцах из сталей 15, 35, 45, 45Г2.

Рис. 10. Приспособление для получения отпечатка на цилин­ дрической поверхности образца

С помощью пятитонного пресса Р-5 и специально из­ готовленного прнспособелния (рис. 10) получены отпечат­ ки на цилиндрической поверхности образцов (рис. 11).

Приспособление представляет собой корпус 1, в ко­ тором на оси 2 закрепляется образец 3. Пуансои 4, являю­ щийся частью упрочняющего ролика, контактирует с образцом. Нагружение осуществляется через шарик 5. Индикатор 6 показывает перемещение пуансона 4, а инди­ катор 7 — перемещение образца из-за имеющихся за­ зоров и упруго-пластической деформации системы. Раз­ ность показаний приборов 6 и 7 характеризует глуби­ ну отпечатка под нагрузкой.

58

Приспособление позволило более точно, чем это воз­ можно на производственной установке, осуществить на­ гружение и замер глубины отпечатка.

На микроскопе УИМ-21 измерялись большая и малая осп проекции отпечатка (эллипса). Найденная площадь несколько меньше действительной, так как она является лишь площадью проекции отпечатка, которая, кроме того, вычислена без учета упругих деформаций. Поэтому полу-

Рис. 11. Отпечатки: 1—5 — соответственно усилия 4,9, 9,8, 14,7, 19,6, 24,5 кН

чениые значения давлений несколько завышены. Резуль­ таты опытов приведены в табл. 5.

Из таблицы видно, что с увеличением усилия на ролик (от 4,9 до 24,5 кН) среднее давление в зоне контакта для исследуемых сталей почти не изменяется. Величина дав­ лений, полученных от нагрузки на ролик в 4,9 кН, не­ сколько ниже, чем при остальных нагрузках. Это вызвано тем, что при точечном контакте в малом объеме металла преобладает пластическая деформация. Она протекает преимущественно в направлении касательных напряже­ ний, вызывая увеличение размеров отпечатка в плоскости, перпендикулярной действию силы.

С увеличением нагрузки на ролик свыше 4,9 кН про­ никновение инструмента в деталь увеличивается. Дефор­ мациям (упругой и пластической), которые протекают в направлении, перпендикулярном к рабочей поверхности инструмента, подвергается значительно больший объем металла. Как видно из данных табл. 5, размеры отпечат­ ков (в том числе и их глубина) увеличиваются пропор­ ционально нагрузке, приложенной к ролику. Поэтому, учитывая погрешности опыта, давление в зоне контакта

59