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

следованные образцы без напрессовки имели предел вы­

выглаживанием выносливость образцов с напрессовками даже превысила выносливость гладких и достигла 57 и 40 кгс/мм2. При этом разброс данных при испытании выглаженных образцов оказался меньшим, чем у шли­ фованных.

При эксплуатации и испытании деталей и образцов с напрессовками в зоне контакта наблюдаются поражения, характерные для фреттинг-коррозии. Коррозионные лун­ ки существенно снижают усталостную прочность. Эти углубления являются концентраторами напряжений, способствующих увеличению напряжений на дне лунки

примерно в четыре раза [183], и служат началом уста­ лостных трещин.

В связи с этим целесообразно сочетать упрочнение ППД с одновременным применением защитных средств, снижающих интенсивность образования фреттинг-корро­ зии. Так, в работе [31] при испытании стали 35 с напрес­ сованными втулками предел выносливости в результате упрочнения обкаткой роликом образцов 0 30 мм повы­ сился с 13 до 20 кгс/мм2, а для 0 70 мм — с 6,5 до 14,5 кгс/мм2.

Применение полимерных покрытий в зоне напрессовок обеспечило дополнительное увеличение предела выносли­

предела выносливости с 14,5 до 16 кгс/мм2 в случае при­ менения покрытия УР-19 и до 17,5 кгс/мм2 при покрытии ГЭН-150.

Металлографическими исследованиями образцов в зоне напрессовок установлено, что при одних и тех же уровнях напряжений полимерные покрытия задерживают начало образования повреждений поверхности от фрет­ тинг-коррозии. Этим самым и объясняется повышение усталостной прочности. Положительное воздействие по­ лимерных покрытий заключается в разделении контакти­ рующих металлических поверхностей и защите их от воздействия среды.

112

114

усилиями, а затем в широком интервале усилий практи­ чески остается постоянным. В противоположность этому предел выносливости по излому непрерывно увеличива­ ется. Эксперименты показали, что упрочнение ППД кон­ центратора напряжений в виде галтели позволяет превы­ сить а-i гладкого вала, который равен 25 кгс/мм2.

При испытании неупрочненных образцов образование трещины на поверхности приводит к быстрому его раз­ рушению. Поэтому предел выносливости по трещинообразованию равен пределу выносливости по излому (см. табл. 22). При циклическом нагружении упрочнен­ ных образцов предел выносливости по излому может в два раза превышать предел выносливости по трещинообразованию.

Появление трещины при циклическом нагружении служит причиной концентрации напряжений у ее верши­ ны. В полуцикле растяжения концентрация напряжений может быть примерно такой же, как и при сильном ис­ ходном концентраторе напряжений. Наведение остаточ­ ных напряжений сжатия в поверхностном слое деталей, максимальные значения которых в большинстве случаев расположены на некоторой глубине, существенно сни­ жает величину рабочих напряжений растяжения в зоне интенсивного протекания усталостного процесса (у вер­ шины трещины). По мнению И. В. Кудрявцева [91], остаточные напряжения сжатия на некотором этапе спо­ собствуют приостановке роста усталостной трещины.

С ростом усилия упрочнения, как было показано в главе II, увеличиваются величина и глубина распростра­ нения остаточных напряжений сжатия. Вследствие этого предел выносливости по излому увеличивается.

Степень повышения предела выносливости в резуль­ тате упрочнения в значительной мере зависит от концен­ трации напряжений. С повышением теоретического коэф­ фициента концентрации напряжений от 1,54 до 2,24 (отношение r/d = 0,15—0,05) увеличение предела выносли­ вости изменяется от 1,4—1,5 до 2—2,5 раза [105].

Как известно, при увеличении размера детали уста­ лостная прочность резко падает в связи с проявлением масштабного фактора. Предел выносливости неупроч­ ненных образцов с увеличением диаметра от 10 до 30 лш снижается в 1,3—1,5 раза (см. табл. 22). Для упрочнен­ ных образцов он остается почти на одном уровне.

Исследование влияния количества круговых проходов на усталостную прочность произведено при тех же усло­ виях в работе [105]. В табл. 23 приведены результаты исследования атр и ст_і при упрочнении валов 0 30 мм (г/d = 0,0b) с различным числом круговых проходов.

Результаты экспериментов свидетельствуют о том, что упрочнение галтелей в широком диапазоне усилий с количеством круговых проходов в пределе 2—16 не ока-

Т а б л и ца 23

Влияние количества круговых проходов ролика по галтели на пределы выносливости ступенчатых валов

зывает влияния на предел выносливости. Поэтому при упрочнении деталей машин следует применять мини­ мальное количество проходов, что позволит исключить появление круговой канавки по радиусу галтели.

Упрочнение галтелей коленчатых валов поверхност­ ным пластическим деформированием позволяет увели­ чить их предел выносливости от 25—35% [3, 192] до 75% [24, 97]. Расхождение между результатами испы­ таний образцов и деталей в большой мере объясняется особенностями технологии упрочнения деталей сложной конструкции. Неравножесткость конструкции коленчатых валов, как правило, обусловливает появление коробле­ ния, при этом остаточные напряжения сжатия перерас­ пределяются. В зависимости от жесткости в различных

116

сечениях могут быть разные величины остаточных на­ пряжений. Поэтому при испытании на изгиб отмечается большой разброс данных и в отдельных сечениях сниже­ ние предела выносливости в сравнении с гладкими ва­ лами.

Упрочнение галтелей коленвалов двигателя УД-2 ро­ ликом 0 60 мм с ДПр = 2,2 мм (Р=180 кгс, k = 90 круго­ вых проходов) позволяет увеличить предел выносливости

в,кгс/ммг

Рис. 38. Кривые усталости коленчатых валов двигателя УД-2: 1 — се­ рийные валы; 2 — галтель накатана; 3 — накатка и правка чеканкой; 4 — накатка и правка на прессе

па 27% (рис. 38). Последующая правка посредством чеканки щек в определенных местах незначительно уве­ личивает предел выносливости (кривая 3), а правка на прессе практически не оказывает влияния на предел выносливости упрочненных коленвалов [192].

Применение для упрочнения галтелей коленчатых валов двигателя Д-50 обкатки роликом и чеканки бой­ ком позволяет повысить предел выносливости почти не­ зависимо от процесса упрочнения на 30—35% [3].

4.УПРОЧНЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ

СРАЗЛИЧНЫМИ КОНЦЕНТРАТОРАМИ НАПРЯЖЕНИЙ

даже наблюдаются случаи его снижения. Вследствие это­

117

го отношение о_і/(Тв, называемое иногда коэффициентом выносливости Кв, у высокопрочных сталей (Л'в = 0,2—0,3) значительно ниже, чем у сталей средней прочности

(Л'в= 0,45-0,5).

Это явление связано с повышенной чувствительностью к концентраторам напряжений типа надрезов, неметал­ лических включений, которые оказывают незначительное влияние на а_і сталей с прочностью crä < 150 кгс/мм2.

В процессе усталостного разрушения металла главная роль неметаллических включений состоит в том, что они являются причиной появления остаточных напряжений, возникающих в результате отличий физических свойств включений и металлической матрицы. Величина напря­ жений, особенно вокруг хрупких включений, может до­ стигать больших значений и в результате в этой зоне

.отмечается повышенная плотность субмикродефектов и инициирование усталостной микротрещины [65].

Источники концентрации напряжений технологиче­ ского характера (шероховатость, дефекты шлифования, обезуглероживание, коррозионные повреждения) также сильно понижают 0 _і высокопрочных сталей.

Исследования усталостной прочности стали 38ХС со статической прочностью от 100 до 206 кгс/мм2 показали, что коэффициент Кв снижается от 0,42 до 0,23, а предел выносливости увеличивается с 43 до 48 кгс/мм2, т. е. на 11,5%. Более заметное увеличение предела выносливости (с 45 до 56 кгс/мм2) наблюдается при исследовании ме­ нее прочной стали 18Х2Н4ВА по мере увеличения стати­ ческой прочности.

Нанесение концентратора напряжений в виде кольце­ вой выточки (г = 0,75 мм) на образцах 0 9,5 мм до тер­ мообработки приводит к тому, что предел выносливости не изменяется и находится в пределах 20 кгс/мм2 для стали 38ХС при ов>110 кгс/мм2 [17].

Упрочнение надреза профильным роликом после тер­ мической обработки позволяет увеличить усталостную прочность в 2—4,5 раза. При огв = Ю0 кгс/мм2 предел вы­

рых без упрочняющей обработки весьма низок. Высокая

118

эффективность упрочнения сталей с высокой статической прочностью достигается при довольно значительных ве­ личинах усилия обкатки.

Упрочнение обкаткой Ѵ-образной выточки, которая имела глубину 2 мм и радиусы дна надреза г= 0,55; 1,1 и 2 мм, позволяет довести усталостную прочность образцов из сталей ЗОХГСА (сгв = 120 кгс/мм2) и ЗОХГСНА (ов = = 170 кгс/мм2) до усталостной прочности гладких упроч­ ненных образцов. Упрочнение производилось роликами,

6 -/, кгс/ м м 2

Рис. 39. Зависимость предела выносливости образцов с радиусными выточками из сталей ЗОХГСА (/, 2) и ЗОХГСНА (3, 4) от степени концентрации напряжений: /, 3 — неупрочненные; 2, 4 — упрочненные

имеющими соответствующие профили с приложением усилия в зависимости от г в пределах 100—200 кгс (V — = 1,5 м/мин\ k = 5). При увеличении теоретического коэф­ фициента концентрации напряжений предел выносливо­ сти неупрочненных образцов непрерывно уменьшается (рис. 39). В противоположность этому предел выносли­ вости упрочненных образцов возрастает. Так, для стали ЗОХГСНА при ccö= l,5 предел выносливости увеличивает­ ся с 49 до 73 кгс/мм2, т. е. примерно в 1,5 раза, а при

тивность упрочнения возрастает с увеличением концен­ трации напряжений. С целью оценки концентрации на­ пряжений в работе [172] испытаны при изгибе с враще­ нием на базе ІО7 цикла упрочненные и неупрочненные образцы с круговым надрезом из сплавов МЛ5, ВМ65-1,

119

Т абл и ц а 24

Эффективность упрочнения магниевых и алюминиевых сплавов с концентратором напряжений

АК4-1, ВД17. Теоретический коэффициент концентрации изменялся в пределах от 1 до 3,06. Образцы с надрезом обкатывались роликами, профильный радиус которых соответствовал радиусу дна надреза, при усилии обка­ тывания для магниевых сплавов Р = 20 кгс и для алюми­ ниевых Р=16 кгс.

Испытаниями установлено, что пределы выносливости надрезанных упрочненных образцов приближаются к пределам выносливости гладких образцов, а коэффи­ циент упрочнения достигает величины ß = 1,6—2,5 (табл. 24) и его значение увеличивается с увеличением коэффициента концентрации аа.

При наличии концентратора в виде радиусной выточ­ ки особенно высокая эффективность упрочнения получе­ на в случае применения комбинированного упрочнения — азотирование с последующей обкаткой роликом. Испыта­ нием на изгиб с вращением образцов 0 9 мм с выточкой г= 0,5 мм установлено, что азотирование повышает пре­ дел выносливости в сравнении с улучшением на 65%, а обкатка цилиндрической поверхности и галтели — на 77% (рис. 40). Комбинированное упрочнение обеспечи­ вает увеличение предела выносливости на 91%, подни­ мая его до уровня гладких азотированных образцов [13]. Резкое изменение угла наклона кривой усталости при

120

комбинированном упрочнении (кривые 4, 5) показывает, что долговечность при больших перегрузках существен­ но возрастает по сравнению с другими методами упроч­ нения. Причем, как отмечается в работе [9], разрушение в данном случае происходит не по концентратору, а по цилиндрической части. Это свидетельствует о полной

нейтрализации неблагоприятного влияния концентратора напряжений.

При упрочнении ППД в, кгс/мм 2 концентраторов напряже­

ний в виде кольцевых вы­ точек или резьб применя­ ют два варианта: упроч­ нение после изготовления выточки или предвари­ тельное упрочнение глад-

Рис. 40. Кривые усталости об­ разцов 0 9 мм из стали 18Х2Н4ВА с галтелью г= = 0,5 мм после улучшения (1); азотирования (2); обкатки ро­ ликом (3); азотирования, об­ катки галтелей (4); азотирова­ ния, обкатки галтелей и цилин­

дрической поверхности (5)

кого образца с последующим изготовлением канавки, резьбы- и т. д.

Нанесение круговой выточки после упрочнения ча­ стично или полностью локализует концентратор напря­ жения. В работе [95] приведены испытания на усталость валов 0 30 мм из стали 45 с круговыми выточками раз­ личной глубины, нанесенными после обкатывания.

Результаты усталостных испытаний приведены в табл. 25. Данные таблицы показывают, что усталостная прочность деталей может быть частично восстановлена даже в случае нанесения надреза после упрочнения, при-

121