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

более опасной стала подповерхностная зона и именно в ней наблюдаются очаги разрушения. С учетом распреде­ ления остаточных напряжений эта зона находится под действием асимметричных напряжений со средним растя­ гивающим напряжением цикла, что приводит к сущест­ венному снижению предельных напряжений [19].

Рис. 36. Влияние усилия Р на изменение свойств цементированной стали 20Х2Н4А и азотированной стали 18Х2Н4ВА: 1 ,2 — пределы выносливости; 3, 4 — осевые остаточные напряжения; 5, 6 — твер­ дость поверхности сталей 20Х2Н4А и 18Х2Н4ВА

вости до 70 кгс/мм2\ выглаживание производилось алма­ зом с /?сф=1,5 мм (Р= 16 кгс\ «S = 0,05 об/мин). Столь низкая эффективность упрочнения по сравнению с дан­ ными работ [13, 18], видимо, связана с недостаточной

102

ІОЗ

величиной усилия для упрочнения азотированной стали с высоким уровнем твердости.

Сравнение эффективности различных методов поверх­ ностного пластического деформирования приведено в табл. 17. Эти данные, естественно, трудно сопоставимы, поскольку они получены в различных условиях и для различных материалрв. Тем не менее таблица дает об­ щее представление о влиянии широко применяемых в промышленности и сравнительно новых методов ППД па усталостную прочность различных сталей. Кроме того, в таблице приведены характерные режимы для упрочне­ ния сталей с разной твердостью.

Проведенный анализ показал, что предел выносливо­ сти в результате упрочнения поверхностным пластиче­ ским деформированием образцов и деталей без концен­ траторов напряжений может быть повышен на 30—90%.

Эффективность упрочнения увеличивается с ростом средней долговечности. С увеличением базы с ІО5 до ІО7 циклов при вероятности разрушения 50% коэффициент упрочнения возрастает в 1,5—2,5 раза [172] (табл. 18). Упрочнение образцов проведено при оптимальных режи­ мах: из сплавов АК4-1 и ВД17 обкатку производили при Р=16 кгс\ МЛ5 и ВМ65-1 — при Р —20 кгс; AB и Д 16 -— при Р = 30 кгс и В95 — при Р = 40 кгс. Из табли­ цы следует, что коэффициент упрочнения повышается по мере снижения вероятности разрушения. Например, при

Т а б л и ц а 18

Зависимость коэффициента ß от базы испытаний при различной вероятности разрушения

104

испытании сплава МЛ5 ß = 1,12 при Р = 99% и ß— 1,46 при р = і % . Это можно объяснить снижением рассеива­ ния предела выносливости в случае применения упрочне­ ния ППД. По данным [172], среднеквадратичное откло­ нение 5 логарифма долговечности упрочненных образцов

в1,5—2 раза меньше, чем пеупрочненных.

2.УСТАЛОСТНАЯ ПРОЧНОСТЬ СОПРЯЖЕННЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Долговечность машин и механизмов, работающих при циклических нагрузках, в значительной степени пред­ определяется усталостной прочностью входящих в них деталей неподвижных соединений.

Многочисленными исследованиями [4, 9, 31, 71, 91, 182, 189] установлено, что резкое снижение усталостной прочности в зоне прессовых посадок вызывается концен­ трацией напряжений от посадки и фреттинг-коррозией. Фреттипг-коррозия возникает в результате повреждения поверхностей, смещающихся относительно друг друга при циклическом нагружении в пределах упругости. Кон­ тактное трение непрерывно разрушает окисную пленку, в результате чего обнаженные участки металла подвер­ гаются химическому воздействию влаги, кислорода воз­ духа ң других агрессивных сред. При этом соприкоснове­

плотности посадки. Когда продукты коррозии не удаля­ ются (они занимают больший объем, чем основной

металлических поверхностей, срезание узлов схватыва­ ния и микронеровностей, накопление в зоне трения пер­ вичных продуктов износа и их окисление, усталостное разупрочнение зон влияния. II период' сопровождается окислением высокодисперспых слоев, имеющих большую химическую активность, и их абразивным изнашиванием; одновременно прогрессируют усталостно-окислительные процессы в зонах влияния. III период связан с износом

105

зон влияния, разрыхленных усталостно-окислительными процессами [9].

Развитие фретгинг-коррозии и механические повреж­ дения сопряженных поверхностей служат причиной обра­ зования очагов усталостных трещин. Такие трещины об­ разуются не у торца напрессованной втулки, а на неко­ тором расстоянии от него. Таким образом, поражение, поверхности фреттинг-коррозией происходит при одно­ временном воздействии схватывания, усталостно-окисли­ тельного разрушения, абразивного и окислительного из­ носа, вызываемых контактным трением. В зависимости от условий эксплуатации и нагружения сопряженных деталей указанные причины в той или иной мере оказы­ вают влияние па зарождение развития усталостной тре­ щины и разрушение деталей.

Особенно подвержены разрушениям из-за влияния фреттинг-коррозии высоконагружеппые проушины шату­ нов быстроходных дизелей, механизмы крепления лопа­ стей вертолетов и др. Очагами усталостного разрушения деталей неподвижного соединения палец-проушина, как правило, являются пораженные фреттинг-коррозией уча­ стки, места схватывания пальца с проушиной. Следует отметить, что в условиях образования фреттинг-коррозии отношение предела усталости сопряженных деталей к пределу прочности материала становится довольно низ­ ким и может достигать значения 0,04 [189].

Упрочнение поверхностным пластическим деформиро­ ванием валов с напрессовками, в местах сопряжения ко­ торых при циклическом нагружении образуется фрет- тинг-коррозия, является одним из эффективных методов повышения их усталостной прочности. Испытания на изгиб и кручение показали, что усталостная прочность валов повышается в 1,3—2 раза [31, 71, 99]. Исследова­ ния влияния упрочнения отверстий проушин весьма огра­ ничены [4, 182].

Исследования влияния упрочнения поверхностным пластическим деформированием отверстий проушин на усталостную прочность соединения проведены па специ­ альных образцах [194]. Усталостные испытания проушин проводились по симметричному циклу растяжения-сжа­ тия (база ІО7 циклов). Образцы изготавливались из ста­ ли 18Х2Н4ВА и подвергались закалке с низким (НВ 320—380) и высоким отпуском (НВ 300—340).

106

Упрочнение отверстий проушин производилось мно­ гошариковой раскаткой, центробежно-шариковой обра­ боткой, сочетанием дробеструйного наклепа и центро­ бежно-шариковой обработки, электролитическим хроми­ рованием. Для исправления геометрической формы отверстия после упрочнения образцы притирались чугун­ ными и притирами с пастой. При этом съем металла не превышал 0,03—0,04 мм на диаметр.

Раскатывание отверстий проушин производилось при числе оборотов раскатки 270 об/мин и подаче 0,1 мм/об за один проход. Нормальное усилие на шарик раскатки (0 9 мм) изменялось в пределах 50—140 кг.

Центробежно-шариковое упрочнение производилось двухрядным упрочпителем (шариками 0 8 мм по 6 штук в ряду) по режиму: натяг — 0,3 мм; окружная скорость упрочпителя =— 15,4 м/сек; число оборотов детали — 100 об/мин; продольная подача — 0,1 мм/об. Продолжи­ тельность обработки, характеризуемая количеством уда­ ров шарика на квадратный миллиметр обрабатываемой поверхности, принималась 83, 250 и 664 удара на 1 мм2.

Дробеструйный наклеп отверстия проушины при ком­ бинированной обработке производился дробью 0 0,6— 0,8 мм, направляемой под углом 45° к поверхности, при давлении воздуха 4,5 кгс/см2 в течение 3 мин. Последую­ щее центробежно-шариковое упрочнение выполнялось по приведенным выше режимам при продолжительности обработки 664 удара на 1 мм2.

Исследование влияния усилия при раскатывании на предел выносливости проушин проведено на образцах из стали 18Х2Н4ВА с высоким отпуском. Предел выносли­ вости с увеличением усилия от 55 до ПО кгс на один шарик возрастает с 13 до 14,8 кгс/мм2. Дальнейшее уве­ личение усилия до 140 кгс несколько снижает предел вы­ носливости до 14 кгс/мм2.

При центробежно-шариковом упрочнении существен­ ный вклад в повышение предела выносливости вносит количество ударов на единицу площади. Так, проушины, упрочненные при 83 ударах на 1 мм2, показали о-\ = = 8,5 кгс/мм2 и с увеличением количества ударов до 250 предел выносливости увеличился до 11 кгс/мм2. Дальней­ шее повышение интенсивности упрочнения в 2,5 раза практически не приводит к изменению предела выносли­ вости.

107

По результатам испытаний проушин построены уста­ лостные кривые и определены пределы усталости (рис. 37). Усталостная прочность неупрочненных образ­ цов составила 6,5 кг/мм2. Применение упрочнения отвер­ стий поверхностным пластическим деформированием по­ зволяет повысить усталостную прочность проушин в 1,5—2,3 раза (табл. 19), как после низкого, так и после высокого отпуска.

Анализ результатов усталостных испытаний показы­ вает, что из исследованных методов наиболее высокую эффективность обеспечи­ вает упрочнение отвер­ стий проушин многошари­

ковой раскаткой.

В результате исследо­ вания усталостных изло­ мов установлено, что началом усталостного разрушения является по­ верхность отверстия про-

Рис. 37. Влияние различных методов упрочнения отверстия проушины на усталостную прочность. Сталь 18Х2Н4ВА (HRC 37—41): / —• без упроч­ нения; 2—хромирование; 3—со­ четание дробеструйного и цен­ тробежно-шарикового упрочне­

струйного и центробежно-шари­ кового упрочнения; 2 — центро­

ушины. Трещина зарождается в зоне интенсивного кон­ тактного трения приблизительно по оси диаметрального сечения отверстия, перпендикулярного направлению при­ ложения нагрузки. Следует отметить, что поверхности неразрушенных соединений палец-проушина после нара­ ботки ІО4—ІО5 циклов уже в значительной степени под­

108

вержены фреттинг-коррозии. В связи с увеличением объ­ ема продуктов коррозии в зоне интенсивного ее образо­ вания существенно увеличиваются удельные давления. По нашему мнению, это явление вызывает пластическое деформирование и схватывание контактирующих поверх­ ностей, которое при дальнейшем нагружении является следствием надрывов и зарождения усталостной трещи­ ны. Так, неупрочненные проушины, как правило, имели

Т а б л и ц а 19

Влияние вида упрочнения проушин на их

вырывы или надрывы металла и наплывы в соответствую­ щих местах контактирующего пальца.

Упрочнение проушин поверхностным пластическим деформированием повышает сопротивление схватыванию контактирующих деталей. Поэтому в данном случае не наблюдается надрывов, а усталостная трещина разви­ вается в притертых зонах абразивного износа и очагах схватывания.

В усталостных изломах при контактном трении на­ чальная притертая зона излома сильно затемнена вслед­ ствие проникновения в трещину продуктов фреттингкоррозии и взаимодействия их с поверхностью трещины.

Эффективность упрочнения проушин разными мето­ дами поверхностного пластического деформирования объясняется прежде всего различием комплекса свойств поверхностного слоя, включающего величину и характер

109

распределения остаточных напряжений, степень и глубину наклепа.

При упрочнении валов ГШД во многих случаях уда­ ется полностью нейтрализовать вредное влияние непо­ движной посадки охватывающих вал деталей. Как пока­ зано в работе [99], благоприятное действие поверхност­ ного упрочнения на усталостную прочность валов и осей с неподвижными посадками обусловлено наличием в по­ верхностном слое остаточных напряжений сжатия. Вы­ сокая эффективность упрочнения наблюдается при упрочнении деталей машин из углеродистых и легиро­ ванных сталей.

В ЦНИИТМАШе проведены исследования усталост­ ной прочности валов гладких и с напрессованными втул­ ками. Испытания производились при переменном изгибе образцов из сталей 40Х, 40ХН [93] и стали 40 [103]. В табл. 20 приведены результаты испытания образцов различного диаметра.

Неупрочненные образцы с напрессованной втулкой показали предел выносливости примерно в 2,5 раза ниже гладких, причем при испытании крупных валов ( 0 160— 180 мм) усталостная прочность снижается в большей ме­ ре в сравнении с образцами 0 20—42 мм.

Поверхностное упрочнение позволяет почти полно­

ПО

носливости в данном случае только на 10—14% ниже неупрочненных гладких образцов.

Упрочнение мест концентрации напряжений ППД по­ зволило нейтрализовать их влияние на усталостную прочность валов 0 160 мм при испытании на кручение [92].

Положительное влияние упрочнения ППД получено также на титановых сплавах. В работе [101] испытыва­ лись образцы из титанового сплава (а в=78 кгс/мм2) гладкие и с напрессованными втулками. Испытания на усталость проведены в условиях изгиба с вращением на базе ІО7 циклов. При упрочнении использовались ролики 0 28 мм с /?Пр = 2 мм и 0 80 мм с Rnр= 10 мм (при упроч­

усталостную прочность. При увеличении диаметра в ука­ занных пределах предел выносливости снизился на 34%.

Испытание образцов с напрессованными втулками по­ казало, что предел выносливости увеличивается на 30—

Таблица 21

Результаты испытания образцов с напрессованными втулками

111