книги из ГПНТБ / Каледин Б.А. Повышение долговечности деталей поверхностным деформированием

пых напряжений, как было показано в гл. II, а. і повыша­ ется. И наоборот, с уменьшением величины остаточных напряжений о~і снижается (см. рис. 31, б).

Снижение предела выносливости в случае увеличения размера шарика при равных усилиях объясняется умень­ шением удельного давления и резким падением величины остаточных напряжений.

В работе [51] показано, что с изменением усилия в пределах 50—180 кгс максимальная величина остаточ­ ных напряжений снижается на 23%, тем не менее уста­ лостная прочность при этом даже увеличивается на 8%. Исходя из этого, можно заключить, что на усталостную прочность образцов без концентратора, помимо остаточ­ ных напряжений, оказывает влияние изменение всего комплекса физико-механических свойств упрочненного материала (структура, твердость, глубина наклепа).

Влияние подачи на усталостную прочность исследова­ но при упрочнении образцов роликом 0 32 мм, Япр= 3мм (н=180 об/мин-, k =l ) , при давлении 100 и 200 кгс соот­ ветственно для стали 3 и стали 45 [94]. Подача изменя­ лась в пределах 0,1—3,2 мм. Результаты исследований показали, что изменение подачи оказывает большое влияние на твердость и остаточные напряжения. Однако усталостная прочность в пределах применяемых в прак­ тике подач для данного типа инструмента (S<0,5 мм/об) не оказывает заметного влияния на предел выносли­

вости.

По имеющимся в настоящее время данным, скорость обкатывания шариком или роликом в пределах 25— 35 м/мин не оказывает заметного влияния на усталост­ ную прочность упрочненных стальных деталей. Более высокие скорости обкатки в ряде случаев приводили к существенному уменьшению величины остаточных на­ пряжений и глубины упрочненного слоя, вследствие чего эффект упрочнения снижался [95].

Эффективность упрочнения ППД в большой степени предопределяется прочностью и структурой стали [1, 13, 14, 21, 98, 135]. Исследование влияния исходной прочно­ сти и структуры сталей 18Х2Н4ВА и 45ХНМФА на уста­ лостную прочность выполнено в работе [21].

Упрочнение образцов производилось трехроликовой обкаткой роликами 0 40 мм, Rnp— Ь-мм, с различными усилиями в зависимости от прочности стали (S =

92

= 0,11 мм/об\ п = 98 об/мин). Испытания на усталость проводились при изгибе с вращением на образцах 0 9 мм (база ІО7 циклов) и при симметричном кручении на об­ разцах 0 12 мм (база 5Х Ю6 циклов).

Результаты усталостных испытаний приведены в табл. 16. Анализ показывает, что эффективность упроч­ нения возрастает с увеличением статической прочности. Повышение предела выносливости при испытании на из­ гиб у стали 45ХНМФА составляет для мартенситной структуры примерно 80%, а для сорбитной — 37%, у ста­ ли 18Х2Н4ВА— соответственно 29 и 18%. Трооститная структура занимает промежуточное положение между сорбитной и мартенситной.

Абсолютное и относительное увеличение предела вы­ носливости в результате поверхностного упрочнения ста­ лей с мартенситной структурой значительно выше, чем с сорбитной или трооститной. В случае испытания при кручении получены аналогичные результаты, что и при изгибе. Однако в связи с тем, что зависимость усталост­ ной прочности исходной структуры и статической проч­ ности очень слабая, различие в эффективности упрочне­ ния для рассматриваемых структур проявляется в мень­ шей степени,чем при изгибе.

Эффективность применения ППД для стали 18Х2Н4ВА при кручении намного выше, чем при изгибе. С увеличением прочности стали 45ХНМФА относитель­ ное увеличение предела выносливости вначале больше при кручении, чем при изгибе, и в дальнейшем выравни­ вается.

Из табл. 16 следует, что для всех структурных со­ стояний сталей 18Х2Н4ВА и 45ХНМФА, как и для неза­ каленных сталей, при испытании на изгиб и кручение не наблюдается падения предела выносливости с увеличе­ нием усилия упрочнения ППД. Для сорбитных и трооститных структур, начиная со сравнительно небольших усилий, рост предела выносливости затухает, в то время как при упрочнении мартенситной структуры а_і стаби­ лизируется при высоких значениях усилий (табл. 16). Как отмечается в работе [21], предел выносливости не снижается даже в тех случаях, когда на поверхности образцов с сорбитной и трооститной структурой появля­ ется шелушение, вызванное чрезмерно высокими усилия­ ми упрочнения.

93

Т а б л и ц а 16

Результаты исследования влияния прочности и структуры стали на усталостную прочность при изгибе и кручении

Изложенные результаты показывают, что упрочнение ППД позволят полнее использовать свойства высоко­ прочных сталей. Эффект упрочнения связан с возникно­ вением остаточных напряжений сжатия, которые могут достигать в стали 18Х2Н4ВА значений 40, 60 и 90 кгс/мм.2

94

соответственно для сорбатной, трооститной п мартенсит­ ной структуры.

У обеих сталей для каждой структуры наблюдается прямая зависимость прироста предела выносливости от величины максимальных остаточных напряжений сжатия (рис. 32), изменяющихся в соответствии с величиной усилия [14]. При этом у стали 18Х2Н4ВА наблюдается линейная связь между остаточными напряжениями и

Рис. 32. Относительное изменение предела выносливости после упроч­ нения роликами в зависимости от величины максимальных остаточ­

приростом предела выносливости независимо от структу­ ры. Подобная зависимость обнаружена в работе [201] при упрочнении ППД незакаленных сталей.

Остаточные напряжения сжатия способствуют увели­ чению сопротивления зарождению трещины и замедляют ее развитие в процессе эксплуатации деталей машин. Вследствие этого у высокопрочных материалов в резуль­ тате поверхностного упрочнения в некоторой мере ком­ пенсируется недостаток пластичности.

Влияние остаточных напряжений на Дсші стали 45ХНМФА сильно зависит от структуры и резко снижа­ ется при увеличении прочности (троостит, мартенсит). Это свидетельствует о том, что наряду с остаточными напряжениями на а_і сильно действуют другие факторы и, в частности, одним из них является склонность данной стали к снижению хрупкой прочности при высокой стати­ ческой прочности [14].

95

При упрочнении алюминиевых и магниевых сплавов предел выносливости увеличивается в меньшей степени, чем при упрочнении сталей. Тем не менее при оптималь­ ных режимах упрочнения можно достигнуть повышения предела выносливости на 25—35% [172]. Исследование влияния поверхностного упрочнения на усталостную прочность ряда алюминиевых и магниевых сплавов про-

Рис. 33. Зависимость коэффициента упрочнения ß от усилия обкаты­ вания и относительной глубины наклепанного слоя (AIR): I — МЛ5; II — ВМ65-1; III — АК4-1; IV — ВД17; V — AB; VI — Д16; VII — В95

ведено на образцах 0 10 мм при изгибе с вращением на базе ІО7 циклов. Упрочнение производилось роликом

035 мм с У?Пр = 6 мм (5 = 0,06 мм/об; k = 2). Коэффициент упрочнения ß, представляющий собой

отношение пределов выносливости упрочненных и неупрочненных образцов, увеличивается по мере увеличе­ ния усилия до определенной для каждого сплава величи­

96

ны (рис. 33, а). При этом, как и для большинства марок

указанных на рис. 33, а сплавов увеличение коэффициен­ та ß заканчивается в основном при усилиях 15—20 кгс на ролик.

Увеличение усилия вызывает также интенсивный рост глубины наклепа. Максимальное увеличение предела выносливости достигается при относительной глубине A / R c ^ 0,15 (рис. 33,6). Заметим, что для сталей эта ве­ личина несколько выше и достигает 0,2—0,25 [17].

Затухающий характер зависимости ß от усилия упрочнения авторы работы [172] объясняют тем, что при определенном для каждого сплава контактном давлении

щихся для легких сплавов основным фактором, от кото­ рого зависит эффективность упрочнения. Например, при

составляли 28 кгс/мм2, а при увеличении усилия до Р ~ = 146 кгс они повысились только до 30—32 кгс/мм2.

Влияние остаточных напряжений сжатия на предел выносливости объясняется характером зависимости пре­ дельной амплитуды от среднего напряжения цикла.

Построенная по результатам испытания на растяже­ ние— сжатие образцов 0 18 мм из сплавов АК4-1 и ВД17 диаграмма предельных амплитуд показывает, что с ростом среднего сжимающего напряжения цикла пре­ дельная амплитуда увеличивается [172]. При испытании и эксплуатации материалов на циклические рабочие на­ пряжения накладываются постоянные сжимающие оста­ точные напряжения, что приводит к смещению цикла в зону отрицательных средних напряжений и, следователь­ но, к повышению предела выносливости (рис. 34).

Положительное влияние сжимающих остаточных на­ пряжений на усталостную прочность объясняется полной или частичной компенсацией растягивающих напряжений от внешней нагрузки и предшествующих технологических операций (шлифование, обработка резанием, покрытия и др.). Определенное значение имеют также упрочнение

поверхностных слоев и явления, происходящие при пла­ стической деформации металла: уменьшение размера структурных составляющих; искажение их ретешки, искривление плоскостей скольжения; увеличение плотно­ сти дислокаций; создание дислокационных барьеров по границам зерен; распад остаточного аустенита и твердых растворов; выделение новых фаз (карбиды, нитриды и

б^.кгс/мм*

Рис. 34. Диаграмма предельных амплитуд аа сплавов АК4-1 и ВД17:

вующие движению дислокаций).

Вызванные ППД изменения увеличивают степень одновременности работы межатомных связей, что обес­ печивает более равномерное деформирование нагружен­ ного объема металла в целом.

Приведенные выше результаты подтверждают суще­ ственное увеличение предела выносливости различных сталей при испытании на изгиб и кручение. В случае испытания по циклу растяжение — сжатие эффектив­ ность поверхностного упрочнения незначительна. В рабо­ те [121] проведены испытания на усталостную прочность квадратных образцов 8 X 8 мм с радиусом закругления кромок 2 мм из стали 18Х2Н4ВА (HRC 38—41) по сим­ метричному циклу растяжение — сжатие. Полированные образцы показали предел выносливости 52 кгс/мм2.

Дробеструйный наклеп не изменил а~і, а гидродробе­ струйное упрочнение шариками 0 1,6 и 3 мм позволило повысить предел выносливости на 5—10%. В случае же

98

испытания иа изгиб эти же процессы упрочнения обеспе­ чивают увеличение а_і до 1,5 раза.

Влияние режимов центробежно-шарикового упрочне­ ния на усталостную прочность подробно изучено в рабо­ те [184]. Основные параметры режима — энергия удара изменялась в пределах 0,06—0,5 кгс/см и число ударов на 1 мм2 обрабатываемой поверхности — в пределах 3— 200. Исследования проведены на образцах 0 9 мм из стали 40Х при их упрочнении шариками 10 мм и скоро­ сти 18 м/сек. Упрочнение при незначительных величинах энергии удара и количества ударов уже позволяет по­ высить 0 _і с 35 до 40,5—41,5 кгс/мм2, т. е. на 12%. Даль­ нейшее увеличение энергии удара почти в 10 раз до 0,5 кгс/см повышает усталостную прочность при неболь­ ших количествах ударов до 42,5—43,5 кгс/мм2. Интенсив­ ность упрочнения, вызывающая некоторый рост остаточ­ ных напряжений, твердости и глубины наклепа, практи­ чески не изменяет предела выносливости [184].

Перспективными методами упрочнения деталей ма­ шин являются сравнительно новые методы, такие, как алмазное выглаживание, ультразвуковое упрочнение и др. Причем увеличение усилия выглаживания приво­ дит, как и в случае применения упрочнения шариками и роликами, к повышению предела выносливости. Напри­ мер, при выглаживании стали Х15Н5Д2Т алмазом с ра­ диусом і?Сф = 2 мм (5 = 0,05 мм/об\ П== 100 мм/мин; &= 1), с усилиями 10, 25, 35 кгс/мм2 предел выносливости увели­ чивается от 58 до 67 кгс/мм2 (рис. 35). Увеличение а_і по сравнению с полированными образцами составляет 30— 50% [131]. В случае увеличения подачи до 0,15 мм/об о~і снижается до 56 кгс/мм2, но все же он остается выше по­ лированных на 25%.

Алмазное выглаживание наряду с тем, что наводит остаточные напряжения сжатия и повышает микротвер­ дость поверхности, создает особый микрорельеф, для ко­

вости увеличен с 52 до 72 кгс/мм2, т. е. примерно на 40% в сравнении со шлифованными [211]. Выглаживание производилось алмазом с £!Сф = 3 мм (П=63 м/мин\ k —

= 1—2) с усилиями Р = 20, 30, 40 кгс и подачами в преде­ лах S = 0,03—0,115 мм/об. Анализ зависимости предела выносливости от подачи показал, что (Т_і независимо от величины усилия достигает значения 71,5—72 кгс!мм2. Однако эта величина получена при подачах 5 = 0,03; 0,06 и 0,085 мм/об соответственно для усилий Р —20, 30 и 40 кгс. Уменьшение или увеличение подачи в исследо­ ванных пределах для данного уровня усилия может вы-

6-,, кгс/ммг

Рис. 35. Усталостная прочность образцов из стали Х15Н5Д2Т (о„=

сматриваемой работе показано, что наибольшая эффек- ■тивность по усталостной прочности достигнута при режи­ мах выглаживания, которые обеспечивают минимальную шероховатость поверхности.

Ультразвуковое упрочнение, сущность которого за­ ключается в приложении к статически нагруженному де­ формирующему элементу (шару) радиальных ультразву­ ковых колебаний, является одним из перспективных ме­ тодов улучшения качества поверхностного слоя и увели­ чения усталостной прочности. При ультразвуковом упрочнении создается возможность получения достаточ­ но высоких остаточных напряжений. Предел выносливо­

100

сти, например, при упрочнении титановых сплавов повы­ шается на 20—25% [83].

Следует отметить, что алмазное выглаживание и ультразвуковое упрочнение существенно повышают уста­ лостную прочность при очень низком уровне усилий (5— 40 кгс). В связи с этим расширяются возможности упроч­ нения длинномерных маложестких деталей, в том числе пустотелых.

Особенно высокая эффективность достигается при комбинированном упрочнении. Сущность его заключает­ ся в упрочнении ППД готовых деталей, прошедших обра­ ботку (цементация, азотирование и др.). На рис. 36 при­ ведены результаты комплексного исследования, прове­ денного для определения режимов упрочнения сталей после химико-термической обработки. Эффективность упрочнения ППД цементированных и азотированных сталей зависит от режимов процесса. Исследования вы­ полнены на образцах 0 7,5 мм.

Глубина азотированного слоя составляла 0,35— 0,4 мм, а цементированного— 1,1—1,15 мм. После хими­ ко-термической обработки образцы зачищались шкуркой.

Обкатка производилась с помощью трехроликового

подаче 5 = 0,115 мм/об. Максимальное значение предела выносливости при изгибе цементированной стали дости­ гается при усилии упрочнения Р = 90—100 кгс, а азоти­ рованной — при Р= 150 кгс. Дальнейшее повышение уси­ лий при обкатке приводит в обоих случаях к снижению выносливости. В целом предел выносливости в результа­ те дополнительного упрочнения повышается на 22% [18].

На рис. 36 приведены также характеристики измене­ ния поверхностной твердости и остаточных напряжений (кривые 3, 4). Приведенные данные показывают, что твердость поверхностного слоя непрерывно увеличивает­ ся для обеих сталей. Следовательно, снижение усталост­ ной прочности по мере увеличения усилия обкатывания не связано с разупрочнением поверхностного слоя.

Снижение предела выносливости в данном случае объясняется ростом реактивных растягивающих напря­ жений в подслойной зоне. Влияние растягивающих на­ пряжений оказалось настолько существенным, что наи-

101