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

Поверхностное упрочнение образцов из ферритного и ферритно-перлитного чугуна 0 10 мм оказало благопри­ ятное влияние на предел выносливости. Нанесение над­ реза в виде радиусной выточки (г = 0,75 мм) на неупрочненных образцах привело к снижению а_гу ферритного чугуна на 40% и у чугуна с 80% перлита — на 28%. Упрочнение образцов производилось до изготовления

НУ на базе ІО7 циклов показали, что усталостная проч­ ность после упрочнения значительно увеличилась для всех трех составов чугуна. При этом у чугуна с 80% пер­ лита увеличение составило 60%, а у чугуна с 50% перли­ т а — 50% и у ферритного чугуна — 43%. Увеличение предела выносливости объясняется прежде всего наведе­ нием остаточных напряжений сжатия (22—25 кгс/мм2 при глубине их распространения 0,6—0,8 мм) [185].

В работе [195] были испытаны валики 0 17 мм, по­ сле упрочнения которых фрезеровался шпоночный пазшириной 6 мм, длиной 30 мм с глубиной в пределах 0,5— 8 мм. Упрочнение валиков производилось трехроликовой обкаткой роликами 0 44 мм, /?Пр=?=355 мм при усилии

122

150 кгс (S = 0,17 мм/об; /і = 200 об/мин). Глубина накле­ панного слоя по твердости составляла примерно 3 мм.

Из табл. 26 следует, что шпоночный паз в зависимо­ сти от его глубины может снижать усталостную проч­ ность валиков в 1,5—2 раза.

Упрочнение ППД, выполненное до фрезерования па­ за, позволяет повысить предел выносливости на 20— 25% . Эффективность упрочнения с увеличением глубины паза повышается до глубины 3,5—4,0 мм, а затем умень­ шается. Следовательно, влияние упрочнения распростра­ няется на большую глубину, чем глубина слоя с повы­ шенной твердостью. Это можно объяснить, тем, что оста­ точные напряжения сжатия распространяются на большую глубину, чем повышенная твердость, и их влия­ ние сказывается на глубине до 6 мм.

Усталостная прочность деталей машин при упрочне­ нии ППД повышается благодаря целому ряду особенно­ стей поверхностного слоя: возникновение остаточных на­ пряжений сжатия, увеличение прочности и снижение

цесс разрушения связан с постепенным накоплением микропластических деформаций в локальных объемах металла и основное влияние поверхностного деформиро­ вания на усталостную прочность оказывают благоприят­

123

В процессе малоцикловой усталости происходит на­ копление односторонней макропластической деформации, и способность металла к накапливанию такой деформа­ ции является одним из основных факторов, определяю­ щих сопротивление малоцикловой усталости материалов. В этих условиях снижение пластичности при наклепе и частичное или полное снятие остаточных напряжений в результате макропластических деформаций могут вы­ звать снижение малоцикловой усталости в результате упрочнения ППД. Тем не менее в местах концентрации напряжений снятие остаточных напряжений, оказывается невозможным даже в случае приложения к образцу на­ грузок выше предела упругости [96]. Помимо этого, неко­ торое увеличение предела текучести может быть источни­ ком сопротивления малоцикловой усталости.

Исследование влияния упрочнения образцов 0 10 мм с четырьмя кольцевыми надрезами глубиной 1 мм и ра­ диусом во впадине 0,5 мм показало высокую эффектив­ ность упрочнения, в особенности для стали 45. Предел выносливости по излому и по трещинообразованию в результате упрочнения дна надреза роликом 0 40 мм при Р= 150 кгс увеличился более чем в 1,5 раза (рис. 41).

Увеличение предела выносливости сталей 16ГНМА и 1Х18Н9Т значительно ниже, чем стали 45, в особенности по трещинообразованию. Влияние упрочнения в большей степени сказывается на увеличении предела выносливо­ сти по излому и значительно в меньшей степени по тре­ щинообразованию. В связи с этим следует отметить, что остаточные напряжения, возникающие в результате ППД, оказывают большее влияние на сопротивление материала распространению трещины, чем на ее возник­ новение. Остаточные напряжения ведут к ослаблению процесса накопления односторонней пластической дефор­ мации и задержке развития трещин. Изменение прочно­ стных свойств поверхностного слоя в определенных пре­

Проведенные исследования показали, что упрочнение ППД является эффективным методом повышения сопро­ тивления малоцикловой усталости конструкционных и легированных сталей.

Поверхностное пластическое деформирование дета­ лей машин позволяет во многих случаях устранить вред-

124

б,кгс/мм2 а

Рис. 41. Кривые малоцикловой усталости неупрочненных (а) и упроч­ ненных (б) образцов из стали 45 (/), 16ГНМА (//) и 1Х18Н9Т (///): I — повреждение отсутствует; 2 — имеется трещина малоцикловой усталости; 3 — разрушение

ное влияние технологических процессов, после которых наводятся остаточные напряжения растяжения и устало­ стная прочность резко падает (железнение, хромирова­ ние и др.).

В результате восстановления деталей машин наплав­ кой усталостная прочность также резко снижается. На­ пример, наплавка вала 0 180 мм из стали 40 нержавею­ щей сталью 1Х18Н9Т толщиной 3 мм снижает предел вы­ носливости с 20 до 6,5 кгс/мм2, т. е. более чем в три раза, а вала из стали Ст. 3 цветными металлами (латунь, бронза, медь) в 1,5—4 раза [100]. Упрочнение наплав­ ленных деталей обкаткой роликом позволяет в некоторых случаях довести усталостную прочность до усталостной прочности основного металла. Обкатывание наплавленной нержавеющей стали 1Х18Н9Т повышает предел вынос­ ливости с 6,5 до 14—15 кгс/мм2.

Наличие сварки на циклически нагруженных конст­ рукциях понижает усталостную прочность по сравнению с усталостной прочностью основного металла. Основны­ ми причинами этого снижения является наличие неблаго­ приятных остаточных сварочных напряжений и концен­ траторов напряжений, создаваемых формой соединения и технологическими дефектами. Многочисленными иссле­ дованиями [90, 95, 129] показано, что упрочнение свар­ ных соединений поверхностным деформированием явля­ ется весьма эффективным средством повышения их уста­ лостной прочности. При упрочнении шва и околошовной зоны в них наводятся остаточные напряжения сжатия, что позволяет нейтрализовать неблагоприятное влияние на усталостную прочность соединений остаточных напря­ жений растяжения и различных концентраторов напря­ жений.

В зависимости от формы свариваемых деталей, мето­ да сварки и вида нагружения сварного соединения уста­ лостная прочность может понижаться в 1,3—3 "раза [129]. Применение дробеструйного наклепа и упрочнение бойками с помощью пневмомолотка, как правило, повы­ шают предел выносливости сварного соединения до двух раз. Во многих случаях удается довести усталостную прочность соединения до уровня усталостной прочности основного металла.

Упрочнение ППД применяется также для повышения усталостной прочности деталей после ремонта методами

126

заварки трещин или наплавки изношенных детален. На­ пример, шлифованные образцы из стали 45, наплавлен­ ной вибродуговой наплавкой, показали предел выносли­

до 21,5 кгс/мм2 [167]. Таким образом, упрочнение ППД, повышая а~\ па 25—60%-, позволяет восстанавливать усталостную прочность деталей после ремонта.

По данным Ленинградского сельскохозяйственного института, сварка рам автомобиля ЗИЛ-164 снижает их долговечность более чем в три раза. Упрочнение сварных швов позволяет почти полностью восстановить долговеч­ ность до новых рам. Такая технология восстановления деталей и узлов машин позволяет восстановить усталост­ ную прочность лонжеронов, кабин, рессор автомобилей и других деталей.

5. КОРРОЗИОННО-УСТАЛОСТНАЯ ПРОЧНОСТЬ

Конструкционные стали весьма чувствительны к воз­ действию среды, способствующей развитию коррозии. В условиях влажной атмосферы, осадков и других кор­ розионных сред, в которых работают современные ма­ шины, не представляется возможным достичь высокой усталостной прочности даже на высокопрочных сталях. Совместное действие на металл переменных напряжений и коррозионной среды вызывает более ускоренное раз­ рушение, чем раздельное действие обоих факторов. Практика показала, что почти независимо от уровня статической прочности условный предел коррозионно­ усталостной прочности составляет в пресной воде 12— 15 кгс/мм2, а в морской — 4—8 кгс/мм2 [37].

При работе "деталей в коррозионных средах большое значение приобретает характер шероховатости поверхно­ сти, поскольку процессы коррозии, как и усталости, на­ чинаются с поверхности. Так, шлифованные поверхности в коррозионной среде обладают меньшим сопротивле­ нием усталости, чем поверхности, полученные чистовым точением. Коррозионная среда активно воздействует на микродефекты поверхности, и в результате на ней при циклическом нагружении образуется довольно большое

127

.количество начальных усталостных трещин. Под дейст­ вием циклических нагрузок образовавшаяся трещина раскрывается и закрывается, что позволяет новым пор­ циям коррозионной среды проникать в трещину.

О природе коррозионно-усталостного разрушения деталей существуют две гипотезы. В работах [37, 162] показано, что снижение предела выносливости происхо­ дит из-за электрохимических процессов развития корро­ зии. При неоднородном циклическом нагружении возни­ кает разность потенциалов, которая обусловливает про­ текание электрохимических процессов развития коррозии на участках поверхности наиболее напряженных, являю­ щихся анодами. Развивающиеся коррозионные повреж­ дения служат концентраторами напряжений и очагами развития усталостной трещины. Как правило, конструк­ тивные концентраторы наиболее сильно понижают элек­ тродные потенциалы и сильно подвержены коррозионным поражениям.

Вторая гипотеза, развитая в работе [64], связывает влияние коррозионно-активных и поверхностно-активных (минеральные масла и др.) сред с адсорбционно-раскли- нивающим эффектом Ребиндера. Подобно тому как в процессах резания смазывающе-охлаждающие жидкости за счет расклинивающего действия в образовавшейся трещине облегчают процесс резания, при циклическом нагружении ускоряется развитие усталостных трещин.

Предложенные гипотезы по существу дополняют одна другую. Влияние на коррозионно-усталостную прочность величины циклических нагрузок, концентрации напряже­ ний, величины и характера остаточных напряжений, ше­ роховатости поверхности и степени агрессивности среды можно объяснить с позиций этих гипотез.

Так, например, при испытании упрочненных ППД де­ талей для появления пластических сдвигов, являющихся первичным очагом коррозионно-усталостного разруше­ ния, требуются более высокие напряжения, чем в иеупрочнегшом состоянии материала. Сглаживание поверх­ ности, уменьшение площади контакта со средой, «залечи­ вание» дефектов типа вырывов, царапин резко снижают адсорбционную способность упрочненной ППД поверх­ ности. При этом наведенные остаточные напряжения и устранение структурных концентраторов после шлифова­ ния способствуют уменьшению разности потенциалов и

128

100-ІО6 циклов в 3,5—4 раза по сравнению с полирован­ ными образцами [130].

Испытание в пресной воде образцов из стали 35ХНМ (os = 100 кгс/мм2), упрочненных алмазным выглажива­

ввоздушной среде; 3—6 — испытание в коррозионной среде (пресная вода); 1—4 — образцы полированные; 5, 6 — упрочненные ППД

вышается примерно в три раза по сравнению с полиро­ ванными образцами (табл. 28). Причем предел выносли­ вости полированных образцов снижается в 5,2 раза, а выглаженных — примерно в два раза по сравнению с усталостной прочностью стали 35ХНМ при испытании в воздушной среде [176].

Эффективность применения упрочнения нержавею­ щих сталей прииспытании в более агрессивных, чем пресная вода, средах уменьшается. Так, напримёр, при испытании стали_Х17Н2 в 3%-ном растворе NaCl услов-