книги из ГПНТБ / Бабаев С.Г. Надежность и долговечность бурового оборудования

трещин протекает легче. И. Е. Конторович и Л. С. Лифшиц, а также М. В. Придаицев и А. Р. Крылова снижение термостой­ кости стали при увеличении размера зерна объясняют различ­ ными напряжениями по границам зерен, возникающими в про­ цессе циклического изменения температуры. Большой величине зерна стали соответствуют высокие остаточные напряжения.

Исследования Ф. С. Мускателя помимо отрицательного влия­ ния роста зерна на термостойкость сплавов показали повышен­ ную термостойкость в кованом состоянии по сравнению с литым.

Было также установлено, что сопротивляемость термической усталости зависит от содержания углерода в стали: чем выше содержание углерода, тем ниже термостойкость. Так, Н. Б. Галь­ перин меньшую склонность малоуглеродистых сталей к образо­ ванию трещин объясняет тем, что нарастание прочности и пла­ стичности кристаллов и крепость .межкристаллических связей с падением температуры металла при его остывании в малоугле­ родистой стали идет быстрее, чем в среднеуглеродистой. М. А. Тылкни также указывает, что повышение содержания углерода снижает теплопроводность стали, а следовательно, увеличивает разность температур п суммарные напряжения.

Склонность к зарождению и развитию трещин под влиянием высоких циклических нагревов—-охлаждений более резко вы­ ражается у сталей, хорошо воспринимающих закалку, что объ­ ясняется объемными изменениями, происходящими за счет структурных превращений. К таким сталям относятся и приме­ няемые для отливок тормозных шкивов стали марок 35ХНЛ и ЗОХМЛ, имеющие ограниченную способность к пластической деформации.

Развитие трещин во многом зависит и от качества металла (вид термической обработки, твердость, механические^ свойства, плотность литой заготовки и т. д.).

Таким образом, в результате циклического изменения разно­ сти температур поверхности и глубинных слоев металла детали возникают значительные термические напряжения, которые, сум­ мируясь со структурными напряжениями, превышают предел ирочности отдельных микрообъемов, образуя трещины. Разви­ ваясь, трещины ослабляют сечение детали и в последующем приводят к поломке или преждевременной ее выбраковке. Ин­ тенсивность образования трещин характеризует сопротивление материала термической усталости, отражает его прочностные свойства в условиях сложнонапряженного состояния детали.

Поэтому основное условие повышения долговечности тормоз­ ных шкивов буровых лебедок — подбор марок таких сталей, ко­ торые могли бы обеспечить максимальную сопротивляемость циклическим температурным изменениям. Наряду с этим важ­ ным направлением повышения долговечности тормозных шкивов

ПО

М 2

из

10Х17НФ не имеют заметных структурных 'превращений при на­ греве— охлаждении. Стали 15ХІІМФ н 20Х2МФ исследовались как в нормализованном, так и улучшенном состоянии. Как вид­ но из табл. 27, сочетание высоких прочностных и пластических свойств особенно характерно для сталей 15ХНМФ и 20Х2Л1Ф.

Вопрос изыскания материалов, стойких к термической цик­ лической усталости, достаточно изучен. Имеется целый ряд работ, проведенных по специальным методикам, позволяющим в лабораторных условиях выявить относительную стойкость ме­ таллов. Так, в опубликованных обзорах [10] и результатах ис­ следований [75] дан анализ примененных различными исследо­ вателями методов испытания материалов на термостойкость.

Исследования и опыт эксплуатации машин с неравномерно нагретыми элементами показывают, что разрушений вследствие однократного неравномерного нагрева почти не бывает. Однако если такие нагревы многократно повторяются, то после опреде­ ленного числа циклов (от несколько десятков до несколько со­ тен) появляются трещины. Поэтому в основу методик исследо­ ваний во всех случаях положено многократное повторение циклов нагревов образцов с последующим охлаждением.

Для проведения подобных исследований в лабораторных ус­ ловиях применялись разнообразные нагревающие и охлаждаю­ щие среды. Нагрев образцов в большинстве случаев осуществ­ лялся в электрической печи и с помощью газовой горелки, реже токами высокой частоты, в ванне с каким-либо расплавом или же при помощи электрического тока, пропускаемого через об­ разец.

Вкачестве охлаждающей среды чаще использовались вода и сжатый воздух. Охлаждение водой обеспечивает вполне опреде­ ленное значение минимальной температуры цикла, но исключает возможность проводить исследования при промежуточных тем­ пературах. Охлаждение же воздухом позволяет получать прак­ тически любую минимальную температуру.

Врезультате детального анализа большого числа исследо­ ваний сделан вывод [75], что при всем многообразии способов нагрева и охлаждения, путей и форм их применения общий

итем же.

Сточки зрения обеспечения стабильности режима и авто­

матизации процесса испытаний предпочтение отдается осуществ­ лению нагрева в электрической печи или токами высокой часто­ ты и охлаждению в воде [95]. Наилучшей формой образцов считают цилиндр.

Критериями испытаний на термическую усталость является чаще всего число тепловых смен до образования трещин. Опре­ деление момента начала образования трещин довольно затруд­ нительно, поэтому иногда выявляют число тепловых смен до

114

развития трещины на конкретную величину. Значительно реже в качестве критерия термостойкости используют такие показа­ тели, как скорость роста трещин, величина остаточной дефор­ мации образца и др.

При испытаниях образцов на термическую усталость лишь в редких случаях удается учесть реальные температурные условия работы деталей. Обычно стремятся создать такие условия по температурным перепадам, которые способствовали бы накоп-

лен ню температурных напряжении, заведомо превышающих предел текучести материала. Были проведены исследования по подбору марок термостойких сталей для тормозных шкивов в два этапа. На первом этапе проводились лабораторные испы­ тания с циклическим нагревом и охлаждением образцов. На втором этапе проводились стендовые испытания с целью окон­ чательной проверки термостойкости сталей, показавших хорошие результаты при лабораторных испытаниях.

В основу лабораторной установки (рис. 44,а), предназначен­ ной для проведения исследований по подбору материалов, стой­ ких к трешинообразованию, было.положено использование высо­ кочастотной установки типа ЛГЗ-67, оснащенной приборами и

цессе испытаний постоянного перепада температуры между ра­ бочей и внутренней поверхностью образца последняя непрерывно

115

охлаждалась водой, циркулирующей через внутреннюю полость образца. Было исследовано не менее двух плавок стали одной марки. Кроме того, на некоторых образцах были выполнены по

ляло 10 с. Равномерность нагрева рабочей поверхности образца достигалась его вращением с постоянной скоростью (150 об/мин) с помощью электродвигателя. За критерий термостойкости было принято количество циклов, при котором на поверхности испы­ тываемого образца возникали трещины длиной не менее 2 мм.

Вследствие того что при многократных нагревах на испыты­ ваемой кольцевой поверхности появлялась корка типа грата, за­ трудняющая визуальный осмотр поверхности, был принят сту­ пенчатый нагрев в циклах (100—125—150—175—200—225—250— —275—300 и т.д.). После каждого ступенчатого нагрева обра­ зец протравливали с целью осветления кольцевой зоны, чтобы выявить трещины. При обнаружении на рабочей поверхности образца трещин испытания прекращали, при этом фиксирова­ лось число циклов. Помимо определения термостойкости экспе­ риментальных сталей, т. е. фиксирования момента возникнове­ ния и роста трещин на поверхности образцов, исследовались также структурные превращения, происходящие в зоне испы­ тания, в зависимости от числа циклов нагревов — охлаждений.

В отличие от ступенчатого нагрева в циклах при изучении структурных превращений каждый участок образца подвергали определенному количеству циклов нагревов — охлаждений (100—200—300—400), а затем вырезали шлифы из испытуемых зон образцов. До вырезания шлифов образец протравливали с целью осветления кольцевой зоны для осмотра испытываемой поверхности и выявления трещин на каждом участке.

Для проведения стендовых испытаний была использована установка, представляющая собой модель тормозного устройст­ ва буровой лебедки У2-5-5, выполненная в 1/5 натуральной величины [82]. Испытания проводили при следующих режимах: число оборотов тормозного вала при торможении 400 об/мин, нагрузка на рукоятке тормоза — 2 кгс. Торможение производи­ лось до достижения максимальной температуры 1000° С на по­ верхности шкива с выдержкой при этой температуре. Повторные циклы торможений производили после охлаждения рабочей по­ верхности шкива до температуры 200° С.

Через каждые десять циклов нагружения рабочую поверх­ ность тщательно осматривали с целью выявления трещин. За критерий термической стойкости материала шкива было при­ нято 500 циклов. Тормозные колодки изготовляли из материала ретинакс марки ФК-24А. Для сравнения результатов испытаний сталей выбранных марок производили также испытания шки­ вов, изготовленных из стали 35ХНЛ.

116

РЕЗУЛЬТАТЫ ЛАБОРАТОРНО-СТЕНДОВЫХ ИСПЫТАНИЙ ОБРАЗЦОВ НА ТЕРМИЧЕСКУЮ УСТАЛОСТЬ

Результаты испытаний образцов на термостойкость приведе­ ны в табл. 28. Как видно, наилучшая термостойкость отмечена у образцов, изготовленных из экспериментальных марок сталей 15ХНМФ и 20Х2МФ (примерно в 1,5 раза выше стойкости ста­ ли 35ХНЛ).

Из зон, подвергавшихся многократному нагреву, вырезались образцы и исследовались шлифы для определения структурных изменений металла, происходящих в этих зонах. Анализ микро­ структур дал следующие результаты.

С т а л ь 10Ф. При многократных нагревах эта сталь не пре­ терпела заметных структурных превращений. Трещины разме­ ром 2 мм зафиксированы после 250—300 циклов нагревов —

117

охлаждений. При этом по всему сечению образца отмечалась однородная структура, состоящая из крупных зерен феррита с наличием тоикопластинчатого перлита.

Сталь 10Ф, хотя и имеет повышенную по сравнению со сталью 35ХНЛ термостойкость (см. табл. 28), обладает низкими меха­ ническими свойствами, которые не позволяют рекомендовать ее для тормозных шкивов.

С т а л ь 10X17. Многократные нагревы этой стали не ока­ зали заметного влияния на ее крупнокристаллическую структу­ ру, состоящую из зерен феррита, отдельных включений аусте­ нита и избыточных карбидов хрома.

Однако сталь 10X17 не имеет какого-либо преимущества по термостойкости по сравнению со сталыо 35ХНЛ, к тому же эта сталь, вследствие крупнокристаллического строения, обладает низкими механическими свойствами (см. табл. 27).

С т а л ь 10Х17НФ. Исходная микроструктура этой стали со­ стоит из равноосных зерен феррита средней величины.

Сталь 10Х17НФ по термостойкости также не имеет преиму­ щества по сравнению со сталыо 35ХНЛ. Трещины длиной 2 мм отмечены после 200 циклов нагревов—охлаждений. При этом по сечению образца отмечены две зоны структур.

Первая зона распространяется от периферии на глубину до 0,7 мм. Микроструктура этой зоны состоит из крупных равноос­

тура— основа ферритная, перлит сорбнтообразный. На образцах из этой стали трещины размером 2 мм появились после 300 цик­ лов нагревов. По мере увеличения числа циклов испытаний зона изменения микроструктуры металла увеличивалась.

На рис. 45, а представлена микроструктура образца из стали 15ХНМФ после 100 циклов испытаний. Анализ показал, что зона

В образце из стали 15ХНМФ, подвергнутом испытанию на термостойкость в течение 200 циклов, резко изменена структура на глубине до 2 мм, а на поверхности наблюдаются неглубокие трещины. Структура состоит из мелкодисперсного сорбита, игольчатого троостита, выделившихся на ферритной основе. В переходной зоне наблюдается структура перлит сорбитообраз­ ный на ферритной основе. Микротвердость поверхностного слоя

# 50=362 кгс/мм2, переходной зоны # 50 = 286 кгс/мм2.

118

С увеличением числа циклов до 300 в образце из стали 15ХНМФ наблюдаются резкие структурные изменения на глу­ бине 2 мм и значительные поверхностные трещины. Структура состоит из мелкодисперсного сорбита, игольчатого троостита, выделившихся на ферритной основе. Переходная зона — сорби­ тообразный перлит на ферритной основе, видны границы круп­ ных зерен. Микротвердость поверхностного слоя Я50 = 316— 370 кгс/мм2, переходной зоны Я50= 238 кгс/мм2.

структура на глубине 3 мм-— сорбнтообразный перлит и наблю­

300 циклов. При этом по сечению образца имеются три зоны с различными структурами. Первая зона распространяется от пе­ риферии до глубины 1,5 мм. Микроструктура этой зоны — бес­ структурный мартенсит на ферритной основе (Я50=473 кгс/мм2). Вторая зона распространяется на глубине 1,5—2,5 мм. Микро­ структура— сорбитообразная с выделениями свободного ферри­ та (Я50=248 к г с / м м 2) . Третья зона распространяется на глубине 2,5—15 мм. Микроструктура, этой зоны совпадает с исходной.

На повышенную термостойкость стали 15ХНМФ заметное влияние оказывают легирующие элементы. По мере удаления от

119