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

ный предел выносливости в результате упрочнения роли­ ками повышен с 19 до 30 кгс/мм2, т. е. на 57% [147]. Однако в случае упрочнения стали Х17Н5МЗ достигнуто увеличение предела выносливости более чем в 2,5 раза (рис. 43). Эти данные получены при упрочнении образ-

6,кгс/мм*

Рис. 43. Влияние упрочнения ППД на усталостную и коррозионно­ усталостную прочность стали Х17Н5МЗ: 1, Г — без упрочнения; 2,2' и 3, 3 '— обкатывание при Р —50 и 100 кгс соответственно (1, 2, 3 — испытание в воздушной среде, V, 2', 3 '—- в 3%-ном растворе NaCl)

132

Г л а в а IV

ВЛИЯНИЕ ППД НА КОНТАКТНУЮ УСТАЛОСТЬ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О КОНТАКТНОЙ ПРОЧНОСТИ

Под контактной прочностью подразумевают проч­ ность рабочих поверхностей деталей, которые восприни­ мают концентрированные на относительно небольших площадях контактные нагрузки в условиях статического или динамического нагружения, а также при чистом ка­ чении или с некоторой долей скольжения.

Из этого определения следует, что проблема контакт­ ной прочности во многих случаях связана с проблемой износостойкости, внешнего трения,- коррозии материалов, не говоря уже о многочисленных технологических за­

дачах.

Основными видами деталей, для совершенствования которых необходимо развитие проблемы контактной прочности, являются все виды зубчатых колес, червячных, гипоидных, глобоидальных и цепных передач, фрикцион­ ные редукторы с элементами качения, все виды подшип­ ников и подпятников качения, винтовые продольные пе­ редачи с элементами качения, направляющие с телами качения, обгонные роликовые муфты, прокатные валки, все виды рельсовых колес, толкатели, кулачки, направ­ ляющие, шаблоны, бойки и т. п.

Изучению явлений, возникающих вблизи и в зоне локального силового контакта деталей, посвящено много исследований, рассматривающих эти явления в химиче­ ском, физическом и механическом аспектах [142, 218].

Несмотря на многочисленные исследования, выпол­ ненные в этой области, теория контактных разрушений материалов развита еще недостаточно. Не получил чет­ кого объяснения до сих пор, например, слишком большой разброс по долговечности одинаковых деталей, работаю­ щих в примерно равных условиях.

134

пнем в пределах, контактной площади даже при нормаль­ ном сжатии тел и значительное воздействие сил трения на напряженное состояние материала вблизи поверхно­ сти контакта. Перемещение зоны контакта вызывает ци­ клические изменения напряжений.

Однако следует отметить, что большинство исследо­ вателей не учитывают наличия остаточных напряжений от предшествующих операций технологического процесса и пластических деформаций, возникающих в зоне контакта при работе деталей.

В последних работах [88, 141] указывается и на большое влияние гидродинамической смазочной пленки между контактирующими поверхностями на величину и характер распределения контактных напряжений.

Микронеровности рабочих поверхностей вызывают значительные изменения контактных напряжении в край­ нем поверхностном слое. На неровной рабочей поверхно­ сти возникают дополнительные контактные напряжения, зависящие не только от абсолютной величины микроне­

давление в зоне контакта, равное 100 кгс/мм2, то такое же дополнительное давление вызовет и неровность высо­ той 0,0217 мкм и шириной 4 мкм.

Эти напряжения могут значительно превышать на­ пряжения сдвига, возникающие на критической глубине под поверхностью контакта и определяемые согласно теории напряженного • состояния идеально гладких тел. Поэтому даже при малых нагрузках отдельные неровно­ сти пластически деформируются.

Даже шероховатость 10-го класса не всегда обеспе­ чивает сплошные пятна контакта с геометрическими правильными контурами, а при большей шероховатости первоначальный контакт осуществляется по смятым гре­ бешкам микронеровностей. Отсюда и возникло понятие фактической площади контакта.

Макронеровности, в частности волнистость, и в пре­ делах допуска могут вызвать в некоторых случаях трех­ кратное увеличение максимальных расчетных контакт­ ных напряжений.

В большинстве случаев качения на контактных пло­ щадях наряду с нормальными усилиями действуют ка­

136

сательные силы, стремящиеся взаимно сдвинуть обкаты­ ваемые поверхности и вызвать скольжение.

Касательные внешние усилия при переменных сжи­ мающих нагрузках и движении поверхностей усиливают пластическую деформацию поверхностного слоя и уско­ ряют процесс перехода от исходной шероховатости к эксплуатационной.

Помимо шероховатости, большое значение на кон­ тактную прочность оказывают также наклеп, характер и частота нагрузки, структура и фазовый состав поверхно­

стного слоя.

Границы зерна являются наиболее слабым местом в однофазных сплавах, на них обычно зарождаются очаги выкрашивания. Гетерогенные структуры значительно больше подвержены разрушению, чем гомогенные. Меха­ нические смеси разрушаются интенсивнее, чем твердые растворы. Образование питтингов идет, как правило, на границе раздела фаз, и разрушение продвигается в сто­ рону более слабой фазы.

Высоким сопротивлением разрушению при наиболь­ шей равномерности обладает структура пересыщенного твердого раствора — мартенсита.

При качении на контакте каждый микрообъем у по­ верхности, расположенный в центральной части дорожки качения, испытывает три максимума переменной нагруз­ ки и с различными знаками: всестороннее неравномерное сжатие и дважды растяжение в направлении качения со сжатием в перпендикулярном направлении (чистый сдвиг). Кроме того, при качении возрастает роль внеш­ них касательных сил на поверхности.

Качение цилиндрических тел также сопровождается колебанием величины и изменением знака напряжений на участке, проходящем через зону контакта. С образо­ ванием гидродинамической масляной пленки в контакте создаются условия, приводящие к изменению абсолют­ ных значений напряжений. При таком характере цикли­ ческих напряжений накопление пластических сдвигов в поверхностных слоях материала протекает интенсивнее, чем па критической глубине.

При качении со скольжением или с тангенциальными усилиями трещина развивается вглубь от поверхности, с отклонением от нормали в направлении качения, и отка­ лывает пласт, по толщине приблизительно равный глу-

137

бшіе расположения максимальных касательных напря­ жений. Однако могут быть отклонения от этой законо­ мерности, связанные с неоднородностью, пороками и внутренними остаточными напряжениями в металле.

Таким образом, в процессе работы при циклических контактных нагрузках происходит непрерывное измене­ ние свойств крайнего поверхностного слоя и к моменту начала усталостного разрушения в работе участвует ма­ териал с иными свойствами, чем в начальный период работы.

Иногда усталостные трещины возникают на глубине, соответствующей критической зоне, и не выходят на по­ верхность, например, у железнодорожных рельс, некото­ рых типов прокатных валков и стальных шаров, приме­ няемых в подшипниках.

Это объясняется не только действием максимальных касательных напряжений, по и других факторов. Так, у рельс, изготовленных из относительно мягких сталей, поверхностные слои подвергаются значительной пласти­ ческой деформации, что при качении без смазки приво­ дит к сжатию и ликвидации начальных микротрещин на поверхности. А внутри действуют как напряжения от внешних нагрузок, так и остаточные напряжения.

У прокатных валков, как правило, поверхность зака­ лена Т .В .Ч ., поэтому усталостное отслаивание связано с внутренними напряжениями на границе закаленной и пезакаленной зон [48].

Практика показывает, что на контактную прочность значительное влияние оказывают, помимо твердости и шероховатости поверхности, и напряженное состояние, знак и величина остаточных напряжений, в образовании которых участвуют и тепловые процессы в зоне кон­ такта.

В результате трения в зоне контакта происходит теп­ ловыделение, резко повышающее температуру в этой зоне. Истинная мгновенная температура, возникающая в зоне движущегося контакта при качении и качении со скольжением, должна быть значительно более высокой, чем фиксируемая термопарами температура (150°С) изза их большой инерционности.

Неравномерное и значительное повышение темпера­ туры на скользящих участках отражается не только діа распределении суммарных контактных напряжений, но

138

к на протекании процесса контактной коррозии, которая развивается наиболее интенсивно именно в зоне действия йаивысшей температуры.

Появление резких температурных вспышек на кон­ такте и связанное с этим существенное повышение сред­ ней температуры поверхностного слоя заметно снижают выносливость деталей. Поэтому снижение трения и теп­ ловыделения при качении (без скольжения или со сколь­ жением), а также эффективный теплоотвод необходимы для повышения контактной прочности деталей, работаю­ щих под пульсирующими нагрузками.

Из всего сказанного можно сделать вывод, что кон­ тактная прочность деталей машин зависит в основном от свойств и состояния материала и напряженного состоя­ ния детали после ее обработки.

Все эти факторы тесно связаны с технологией обра­ ботки материалов деталей, работающих в условиях тре­ ния качения.

2.ВЛИЯНИЕ СПОСОБОВ ОБРАБОТКИ НА КОНТАКТНУЮ ПРОЧНОСТЬ

Детали, воспринимающие контактные нагрузки, мож­ но условно разбить на группы [142] в соответствии с видами окончательной обработки рабочих поверхностен.

1.Рельсы, катки и некоторые колеса, зубчатые колеса

снакатанным профилем зубьев, кольца штампованных подшипников качения (обработка давлением).

2.Элементы зубчатых колес, винтовых, червячных и других передач со сложным профилем рабочих поверх­ ностей, колеса вагонов и вагонеток, направляющие ро­ лики, прокатные валки (обработка режущим инструмен­ том).

3.Рабочие поверхности точных зубчатых и червяч­ ных передач, некоторые виды колец подшипников каче­ ния, прокатные валки для точного проката, рабочие по­ верхности продольных направляющих с телами качения, детали цепных передач, кулачки, рабочие поверхности

фрикционных передач, некоторые элементы обгонных муфт (обработка шлифованием).

4. Большинство деталей подшипников качения, рабо­ чие поверхности деталей некоторых видов зубчатых и

139

других передач, поверхности точных направляющих с телами качения, точные шаблоны и толкатели, точные опорные контакты (полирование, суперфиниширование,

доводка и пр.).

Кроме указанных видов, для окончательной обра­ ботки рабочих поверхностей применяют суперфиниширо­ вание (доводка осциллирующими брусками), хонингова­ ние, лаппинговапие (доводка поверхностей при помощи накатки абразивным порошком), гидрополировапие и различные специальные способы шлифования (вибраци­ онное, специальными абразивными кругами и т. д.).

Кроме механических способов окончательной обра­ ботки, существуют и другие, например электрополирова­ ние, электрохимическая, электроннолучевая обработка, различные методы покрытия.

На формирование свойств материала вблизи поверх­ ности влияют и такие процессы: закалка т.в.ч., термо­ диффузионные, электроискровые, химико-термические методы обработки, которые не обеспечивают необходи­ мой точности и шероховатости поверхности и требуют последующей механической обработки.

Помимо этого, величина контактной выносливости деталей зависит от условий выплавки сталей, природы неметаллических включений, газонасыщенности, формы и характера распределений включений, режимов и спо­ собов заготовительных операций и предварительной тер­ мической обработки (отжига или нормализации).

Основные эксплуатационные свойства поверхности формируются на протяжении всего периода обработки деталей, при-этом отдельные свойства и характеристики переходят от операции к операции (технологическая на­ следственность). Влияние первых операций обычно сла­ бее, чем финишных, но все же ими пренебрегать нельзя, особенно для деталей, работающих в условиях трения

качения.

Как указано в работе П. И. Ящерицына [215], в тех­ нологической цепочке существуют своего рода «барьеры», которые препятствуют (или ослабляют действие) тем или иным факторам участвовать в формировании окон­ чательных свойств поверхности.

Самыми существенными «барьерами» служат терми­ ческие, химико-термические и другие виды упрочняющей обработки. Сюда можно отнести и некоторые виды ме­

140

ханической обработки, существенно улучшающие качё-

ство поверхности.

Результаты многочисленных исследований, посвя­ щенных этому вопросу, с достаточной полнотой под­

тверждают эти выводы.

Так, по данным Джонсона [219], наиболее отрица­ тельное влияние на усталостную и контактную прочность оказывают включения корунда, высококремнистых сили­ катов и нитридов титана. По другим данным [33], более вредны глобулярные силикаты. Долговечность стали ШХ15, например, при увеличении глобулярных включе­ ний от 20 до 80 мкм снизилась с 680ІО6 до 40ІО6 цик­

лов, т. е. в 17 раз.

Известно, что контактная выносливость зависит от способа выплавки [153]. Исследователи объясняют это различной плотностью стали, так как с увеличением плотности стали ШХ15 от 7,799 до 7,812 г/см3 при прочих равных условиях предел контактной выносливости уве­

личился, на 23%,.

За счет снижения содержания вредных примесей, не­ металлических включений и газов при вакуумной обра­ ботке или электрошлаковом переплаве можно также по­ высить контактную прочность (табл. 29) [145].

Из заготовительных операций важную роль играет правильный режим ковки и штамповки, особенно интер­ вал температуры ковки. Нагрев стали ШХ15, например, до излишне высокой температуры приводит к сильному

141