книги из ГПНТБ / Кравченко, Петр Ефимович. Усталостная прочность учебное пособие

ления). Это смыкание происходит до тех пор, пока микрощели не превзойдут некоторого предельного размера и пока их внутренние поверхности остаются не загрязненными и не окисленными.

детали в адсорбционно активной среде микрощели будут раскры­ ваться больше, а линии сдвигов в таких условиях будут превращать­

ся в усталостную микротрещину при заметно меньших внешних воз­ действиях.

Опыты Г. В. Карпенко, проведенные на образцах из конструк­ ционных хромистых сталей, полностью подтверждают сказанное. Образцы испытывались чистым изгибом при вращении (см. рис. 4).

База испытаний — 10 млн. циклов.

Для образцов из стали 40Х, прошедших различную термообра­

чем тверже сталь после термообработки, тем больше снижение пре­

Кривые усталости, полученные при испытаниях в поверхностно­ активной среде (в масле), аналогичны кривым, полученным при испытании на воздухе: при М = 1 4- 4 млн. циклов и те, и другие переходят в ярко выраженный горизонтальный участок, но первые всегда ниже вторых.

При коррозионной усталости кривая усталости, как уже ука­ зывалось, не имеет асимптоты (хотя =20.106 циклов) и все

время снижается, т. е. в этом случае предел выносливости зависит от времени пребывания испытуемой детали в среде, а значит за­ висит и от частоты нагружения детали (см. § 9, п. а).

Таким образом, форма кривой усталости характеризует влияние

среды на выносливость- и позволяет различать коррозионную и ад­ сорбционную усталость.

При проведении испытаний в ряде случаев может оп­ ределяться обобщенный коэффициент 8, учитывающий одновременно влияние и технологических, и эксплуата­ ционных факторов. Если величины этого коэффициента и коэффициентов Р и f известны, то, зная величину предела выносливости полированного образца, можно

определить и предел выносливости натурной детали:

ДЛ .-г— ----------

—1 р-у-8

61

Глава IV

ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Усталостная прочность деталей характеризуется их выносливостью и долговечностью.

Исчерпание выносливости или долговечности и при­ водит к усталостному разрушению детали. Как уже ука­ зывалось, число таких разрушений составляет больше половины от общего числа поломок деталей.

В связи с этим уже- в начальный период изучения природы усталостных разрушений делались попытки найти способы борьбы с усталостью. Однако успешное решение этой задачи стало возможным лишь в послед­

ние десятилетия, в течение которых более достоверно

раскрыта природа усталостного разрушения, создано совершенное оборудование для проведения эксперимен­ тальных исследований и широко изучено влияние различ­

ных факторов на показатели усталостной прочности. Особую роль при этом сыграло внедрение натурных

испытаний, позволивших наиболее достоверно изучить

влияние формы, размеров, технологии изготовления и условий эксплуатации деталей на их выносливость и долговечность.

Исходя из результатов этих испытаний и современных представлений о природе усталостного разрушения, на­ мечались реальные пути борьбы с усталостью.

В настоящее время эта борьба ведется в нескольких направлениях путем осуществления главным образом конструктивных, металлургических и технологических

мероприятий.

§ 11. КОНСТРУКТИВНЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ

Конструктивные меры борьбы с усталостью сводят­ ся к приданию деталям таких форм, при которых обеспе­

чивается наименьшая концентрация напряжений.

62

Рассмотрим, как решается этот вопрос на примере валов, работающих главным образом на изгиб и кручение. Основными концентраторами для них являют­ ся галтели, шпоночные канавки, шлицы, отверстия, прес­ совые посадки.

Поэтому при проектировании таких деталей конструк­ тивными мерами, снижающими концентрацию напряже­ ний (и тем самым повышающими их усталостную проч­

ность), являются:

1. Увеличение радиуса галтели. Об эффективности этого мероприятия говорит следующий пример. В англий­

ском воздушном флоте наблюдались частые поломки ко­ ленчатых валов авиадвигателей по галтели около места насадки пропеллера. С увеличением радиуса галтели всего на 3 мм поломок больше не наблюдалось.

О резком снижении концентрации напряжений с уве­ личением радиуса галтели свидетельствуют также и данные, приводимые в приложении 2.

Хороший результат дает переход от d к D не по дуге окружности, а по дуге эллипса (рис. 33). Предел вынос­ ливости в этом случае может быть повышенна 10% (по

сравнению с круговой галтелью). Однако из-за сложно­ сти выполнения эллиптическая галтель применяется только в особо ответственных конструкциях.

В тех случаях, когда по конструктивным причинам радиус галтели увеличить нельзя, можно уменьшить кон­

центрацию напряжений так, как показано на рис. 34.

длину рабочей части шейки и повышает предел вынос­ ливости на 20—30%.

63

2. Уменьшение разности в жесткостях отдельных участков конструкции. Так, если на участке Б вала

(рис. 35) сделать кольцевую выточку, то жесткость этого участка уменьшится и за счет этого произойдет некоторое выравнивание напряжений

носливости при наличии некольких рядом расположен­ ных концентраторов подтверждается и такими примера­

место значительная концентрация напряжений, снижаю­

щая усталостную прочность этого узла. Вредное влия­ ние концентрации существенным образом можно уменьшить вышлифовкой разгружающих выточек, диа­ метр которых dj, лишь на несколько десятых миллиметра меньше диаметра d.

Однако при неудачно подобран­ ной форме разгружающих надрезов и для деталей, уже подвергавших­

ся поверхностному наклепу, эти над­

таких надрезов снижаются не только вредные напряже­ ния от внешней нагрузки, но и те полезные остаточные

напряжения сжатия, которые возникли при упрочнении детали (§ 12).

Таким образом, надрезы, расположенные рядом с основным концентратором напряжений, либо не изменя­ ют величину коэффициента р, либо уменьшают ее.

Весьма важное значение при проектировании и рас­ чете деталей имеет также вопрос о величине коэффици­

ента Р в случае, если несколько концентраторов напря-

64

Однако, несмотря на совершенство Конструктивных форм и использование высококачественных материалов, многие детали имеют все же недостаточную надежность в работе и часто выходят из строя из-за усталостных разрушений.

В связи с этим все большее значение приобретает

внедрение некоторых технологических процессов, су­

щественно повышающих выносливость и долговечность

деталей машин.

Рассмотрим, как достигается этот эффект с помощью различных технологических процессов.

а) Токарная обработка, шлифовка и полировка

Опыт показывает, что: 1) выносливость и долговеч­

ность детали (при данных материале, термообработке и

конструктивных формах ее) определяются в основном состоянием поверхности детали — ее качеством и меха­ ническими свойствами, 2) потенциальные возможности материалов, особенно высокопрочных, проявляются лишь в том случае, когда поверхность детали имеет минималь­

ное количество различных концентраторов напряжений.

тех случаях, когда требуется обеспечить высокую уста­ лостную прочность детали.

Микрорельеф, образующийся на поверхности детали при ее токарной обработке, ослабляет деталь аналогич­ но тому, как ее ослабляют надрезы. Степень этого ос­ лабления тем выше, чем прочнее сталь и чем мельче размеры ее зерен.

Разупрочняющим фактором обычно являются и те остаточные растягивающие напряжения, которые созда­ ются в поверхностных слоях обтачиваемой детали.

С другой стороны, при обработке резцом имеет место наклеп поверхностного слоя, упрочняющий деталь. Если этот наклеп снять путем отпуска, то предел выносливо­ сти детали уменьшится на 15—20%.

Выбором режимов резания можно получить опти­

мальное влияние токарной обработки на выносливость и

долговечность. Не останавливаясь подробно на этом во­ просе, укажем только, что наиболее заметное влияние

66

йа выносливость имеет подача, так как ею в значитель­ ной степени определяется микрорельеф обрабатываемой поверхности. При больших подачах возможно поврежде­ ние поверхности и

образование остаточ­ ных растягивающих

напряжений.

Невозможность по­ лучения качествен­

ной поверхности при обработке резцом обусловила широкое применение шлифов­ ки и даже полировки

деталей, благодаря

чему усталостная прочность их не-

пытании переменным изгибом (см. рис. 31 и 37), пока-

ные, 2—шлифованные, 3 —после токарной обработки

зывает, что влияние чистоты обработки возрастает с по­ вышением статической прочности материала (ад), т. е.

дефекты поверхности более сказываются у высокопроч­ ных сталей.

У чугунов и. цветных металлов влияние этих дефектов незначительно, т. е. усталостная прочность таких дета­ лей мало зависит от чистоты поверхности.

Следовательно, шлифовка и полировка наиболее эффективны применительно к деталям из высокопрочных сталей. При переменном кручении чистота поверхности изделия также сказывается на его усталостной прочно­ сти (рис. 38), хотя и в меньшей степени, чем при пере­

менном изгибе.

В заключение укажем, что при статическом нагруже­ нии влияние шлифовки и полировки почти не сказывает­

ся на прочности детали, изготовленной из любого мате­ риала.

б) Поверхностное упрочнение

Поверхностные слои детали, обладающие пониженной выносливостью (§ 7), являются вместе с тем наиболее-

напряженными, так как при основных видах напряжен­ ного состояния (изгиб, кручение) максимальные напря­ жения от внешних нагрузок возникают именно в этих

слоях.

Внутренние слои при этом остаются недогруженны­ ми и разрушение их возможно только после предвари­ тельного разрушения поверхностных слоев.

Пониженная выносливость и повышенная напряжен­ ность поверхностных слоев указывают на то, что проч­ ностью этих слоев предопределяется прочность детали в целом. Поэтому упрочнение поверхностных слоев долж­

но в значительной мере повысить усталостную прочность детали и тем самым предотвратить преждевременный выход ее из строя из-за усталости.

Практика использования поверхностного упрочнения убедительно подтверждает справедливость этого поло­ жения, вследствие чего упрочняющая технология полу­ чает все более широкое распространение.

В современном машиностроении используются сле­ дующие методы поверхностного упрочнения:

1) механические, когда упрочнение достигается ме­

68

ханическим наклепом поверхностных слоев (обкаткой

роликами, дробеструйной обработкой и т. п.);

2)термохимические, при которых поверхностные слои детали упрочняются за счет насыщения их элемен­ тами, образующими стойкие и твердые химические сое­

динения (цементация, азотирование и т. п.);

3)термические, при которых упрочнение поверхност­

ных слоев происходит за счет тепловой обработки по­ верхности (закалкой токами высокой частоты или пла­ менем).

Эти методы обладают своими преимуществами и не­ достатками, определяющими степень целесообразности и место применимости каждого из них.

Механические методы поверхностного уп­ рочнения (особенно дробеструйная обработка) получили широ­ кое распространение лишь в последнее десятилетие.

Сущность процесса дробеструйной обработки заключается в том, что деталь в готовом виде, уже прошедшая механическую и терми­ ческую обработку, подвергается действию потока дроби. Стальные дробинки выбрасываются воздушной струей или лопатками быстро

вращающегося ротора и ударяют о поверхность детали, производя наклеп этой поверхности.

Микрогеометрия стальных деталей после дробеструйного на­ клепа определяется по ГОСТ 2789-51 в пределах 5-го и 6-го классов чистоты. Следовательно, технологический процесс дробеструйного

наклепа соответствует чистовому фрезерованию или грубому шли­ фованию и с успехом может применяться особенно в тех случаях, когда не требуется высокая чистота поверхности.

Причины и механизм положительного влияния дробеструйной обработки на усталостную прочность наклепываемой детали объ­ ясняются следующими основными положениями:

1. В процессе дробеструйного наклепа детали в ее поверхност­ ных слоях создаются благоприятные остаточные напряжения сжатия, достигающие значительных величин.

Возникновение этих напряжений обусловлено тем, что дробин­ ки, ударяясь о поверхность металла, пластически деформируют (ра­ стягивают) поверхностные слои, тогда как подповерхностные слои претерпевают упругие деформации.

В последующем стремление этих упруго деформированных слоев сократить длину верхних слоев приводит к тому, что при дости­ жении равновесия в поверхностных слоях возникают напряжения

При нагружении детали в процессе ее эксплуатации эти оста­ точные сжимающие напряжения частично или полностью компенси­ руют растягивающие напряжения от внешней нагрузки, особенно вредно отражающиеся на усталостной прочности детали.

69

2. В процессе дробеструйного наклепа детали меняются физико­ механические свойства ее поверхностного слоя, в частности созда­ ется деформированный слой глубиной 0,2—0,4 мм, имеющий повы­ шенную твердость и лучше сопротивляющийся пластическим дефор­ мациям и разрушению. Поэтому нагрузка на упрочненную деталь может быть несколько повышена, а при работе с одинаковыми на­ грузками усталостное разрушение упрочненной детали произойдет позже, чем разрушение неупрочнявшейся детали. Тем самым повы­ шается надежность работы деталей и сокращается число их поло­ мок от усталости.

Названные причины повышения усталостной прочности деталей являются общими, не зависящими от того, каким из способов (осо­ бенно механических) произведено поверхностное упрочнение.

Промышленное использование дробеструйной обработки харак­ теризуется следующими примерами: она успешно применяется для упрочнения клапанных пружин двигателей ЗИС-110 и ЗИС-150. а также для упрочнения пружин подвесок автомобилей ЗИС-110, М-20 и «Москвич». Предел выносливости клапанных пружин повышается при этом в среднем на 50%, а для пружин с поверхностными де­ фектами — на 100—150%ь

Долговечность пружин после дробеструйной обработки возра­ стает примерно в .10 раз. Долговечность рессор (по данным стен­ довых испытаний) повышается для передних рессор автомобиля ЗИС-150 в 12 раз. для автомобиля М-20 — в 6 раз, для автомоби­ ля ЗИС-110 — в 4 раза.

Введение дробеструйной обработки в технологический процесс изготовления спиральных пружин и листовых рессор на Московском автозаводе им. Лихачева полностью исключило случаи предъявления рекламаций по этим деталям.

Широкое применение находит дробеструйная обработка и на заводах,выпускающих железнодорожный подвижной состав, где она внедрена как обязательная операция при изготовлении листовых рессор и витых пружин (ГОСТ 1425-53|. С введением дробеструй­ ного наклепа гарантийный срок, в течение которого завод обязан безвозмездно заменять вышедшие из строя пружины и рессоры, увеличен указанным ГОСТ с одного года до трех лет.

Эффект использования дробеструйной обработки можно иллю­ стрировать также на примере .упрочнения торсионных валов диа- ■ метром до 50 мм.

Стендовые испытания этих валов показали, что дробеструйная обработка повышает их долговечность примерно в 2,5 раза.

Не менее эффективной является и обкатка деталей стальными закаленными роликами. Обкатка осуществляется обычно при помо­ щи трехроликового приспособления, укрепляемого на суппорте то­ карного станка и перемещающегося 'вдоль оси детали вместе с суп­ портом.

Необходимое давление роликов на обкатываемую деталь соз­ дается винтовой тарированной пружиной. В ряде случаев, особен­ но когда требуются большие усилия обкатки, используются гидрав­ лические приспособления. При помощи таких приспособлений мо­ жет осуществляться обкатка коленчатых валов, вагонных и паро­ возных осей, торсионных вадов и т. д.

70