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

По данным стендовых испытаний, долговечность работы обка­ танных торсионных валов возрастает в 1,5—2 раза. Еше более ощу­ тимый эффект достигается при обкатке не только цилиндрической части, но и шлиц этих валов. Срок службы вагонных и паровозных осей после обкатки шеек и подступичных частей также повышается во много раз. [101

Значительное упрочнение, достигаемое при обкатке деталей ро­

когда упрочняемая деталь имеет концентрацию напряжений. В таких случаях резко повышается роль остаточных напряжений сжатия: она тем выше, чем благоприятнее условия для концентрации напря­

жений по опасному сечению детали.

В заключение укажем, что обкатка роликом или дробеструй­ ная обработка уничтожают те субмикроскопические надрезы, кото­ рые остаются даже после самой тщательной . обработки, и таким образом ликвидируют эти очаги концентрации напряжений на по­ верхности. Получающиеся вмятины от дроби дают меньшую кон­ центрацию напряжений, и благоприятное влияние наклепа перекры­ вает неблагоприятное влияние вмятин. Поэтому накатка и обдувка дробью делают излишней тщательную чистовую обработку, так как конечное состояние поверхности определяется указанными опера­ циями.

В подтверждение этого укажем, что даже при переменном кру­ чении (когда эффективность дробеструйной обработки несколько ниже, чем при переменном изгибе) предел выносливости полирован­ ных образцов, изготовленных из стали 45ХНМФА и прошедших дробеструйную обработку, на 20% превышает величину предела вы­ носливости таких же полированных, но не упрочнявшихся образцов (по данным автора).

Использование дробеструйной обработки возможно также с

целью уменьшения вредного влияния прокатной пленки и литейной корки. Наличие первой снижает предел выносливости углегсдистых и легированных сталей соответственно на 20—30% и 50—60%. По­ добно этому наличие литейной корки на отливках из легких сплавов понижает предел выносливости на 20—50% и на отливках из чугу­ нов— на 10—20%. Дробеструйная обработка таких поверхностей может полностью ликвидировать это снижение.

Сравнивая механические способы поверхностного упрочнения, можно отметить еще следующее: преимущество дробеструйной об­ работки по сравнению с обкаткой роликами состоит в том, что она применима для деталей любой формы. В свою очередь, обкатка ро­ ликами обеспечивает более высокую чистоту поверхности после уп­ рочнения и большую глубину наклепанного слоя.

Так при обкатке валков обжимных станов глубина наклепанно­ го слоя доходила до 20 мм, а средняя долговечность их повысилась

на 64% [13].

Термохимические методы являются давно извест­ ными и эффективными. Однако процессы упрочнения с помощью

71

этих методов весьма длительны (а потому и дороги) и могут при­ меняться не для всех сталей.

Цементации подвергаются детали из мягкой стали (0,1—0,2% С) путем науглероживания тонкого (от 0,5 до 2 мм) поверхностного слоя с последующей закалкой и отпуском. Предел выносливости при этом увеличивается на десятки и даже сотни про­ центов. С другой стороны, обезуглероживание поверхностного слоя (например, в пружинной стали) снижает предел выносливости вдвое и даже больше. По достижении определенной глубины цементиро­

ванного слоя (для различных сталей она различна и примерно со­ ставляет 0,9 мм) увеличение предела выносливости прекращается.

Азотирование — это процесс насыщения поверхности де­

тали азотом. Азотирование осуществляется путем нагрева детали в среде аммиака NH3 до температуры 520—650°. Скорость процесса существенно повышается при наличии алюминия.

Поэтому в машиностроении азотируются главным образом та­

его твердость и создаются высокие внутренние напряжения сжатия, которые не позволяют линиям сдвигов развиваться и превращаться в усталостные трещины. Поэтому в азотированных деталях усталост­ ные трещины чаще зарождаются под азотированным слоем. Это обстоятельство указывает на то, что в этих случаях должна быть обеспечена надлежащая прочность сердцевины детали. Азотирован­ ные детали менее чувствительны к концентрации напряжений и кор­ розии и имеют наиболее выраженное и устойчивое повышение пре­ дела выносливости. Однако самая легкая сошлифовка (на 0,05 леи), удаляя сплошной слой нитридов, значительно понижает сопротив­ ляемость коррозии, а следовательно, и усталости.

Из числа термических способов поверхностно­

го упрочнения весьма широкое распространение получила поверхностная закалка токами высокой ча­ стоты. Ее особенностью является малая продолжительность на­ грева, вследствие чего закалку принимает только поверхностный слой детали. Сердцевина же остается незакаленной и сохраняет свои первоначальные свойства.

Поверхностная закалка обеспечивает создание прочного поверх­ ностного слоя и значительных остаточных напряжений сжатия, вследствие чего износостойкость и усталостная прочность детали резко повышаются. Усталостная трещина и в этом случае начинает развиваться вне пределов упрочненного слоя. При правильном вы­

боре режима поверхностной закалки повышение выносливости мо­ жет достигать 100% и более. Наибольшее применение она находит для деталей автомобилей и тракторов. К числу этих деталей отно­ сятся: коленчатые и кулачковые валы, полуоси, поршневые пальцы,

шестерни и многие другие. Применение поверхностной закалки для

стальных деталей с неподвижно насаженными втулками повысило их выносливость в 2,5 раза [14].

Однако поверхностная закалка токами высокой частоты обла­ дает следующим существенным недостатком: проведение ее в местах резкого изменения формы детали часто затруднено или даже не­

возможно. Обрыв закаленного слоя в пределах этих напряженных

мест может привести к частичному или полному обесцениванию этого

72

процесса и даже снизить исходную величину предела выносливо­ сти вследствие местного отпуска и появления вредных растягиваю­ щих напряжений. Так, например, при испытании коленчатых валов авиационного двигателя переменным изгибом было обнаружено снижение их выносливости после поверхностной закалки на 33% [141. В этом случае поверхности коренных и шатунных шеек были зака­ лены и затем вместе с галтелями отшлифованы. Но зона закалки с твердостью 556 по Виккерсу не доходила до галтелей и твердость их поверхности составляла лишь 330 единиц. Разрушения валов происходили именно в местах этих незакаленных галтелей.

Следует также иметь в виду, что детали из малоуглеродистых сталей (с содержанием углерода до 0,30% 1 плохо или совсем не принимают закалку.

Поэтому упрочнение таких деталей следует производить меха; ническими способами, например, обкаткой роликами.

В заключение укажем, что все рассмотренные спо­ собы поверхностного упрочнения являются эффективны­ ми лишь применительно к деталям, работающим на пе­ ременные изгиб или кручение. Упроч­ нение же деталей, подверженных повгрВД торному растяжению — сжатию, ощу-

тимого результата не дает, что можно .. .. |®

объяснить следующим.

При растяжении — сжатии детали |ЦИ7

при переменном изгибе или кручении.

Приведенные в .настоящей главе некоторые способы повышения усталостной прочности деталей при их изго­ товлении не исключают, а, наоборот, предполагают борьбу за повышение усталостной прочности детали и в процессе ее эксплуатации. Это значит, что после изго­

товления детали на ее поверхности нельзя допускать ни­

каких добавочных концентраторов напряжений.

Отступление от этого правила может привести к

преждевременному разрушению детали, на что указы­

вают следующие примеры.

Шлифованный шатунный болт из высококачествен­ ной легированной стали (рис. 391 преждевременно раз­ рушился вследствие неудачно выбранного места для постановки клейма: клеймо явилось дополнительным

концентратором напряжений и дало начало усталост­ ной трещине.

73

Глава V

ОСНОВЫ РАСЧЕТОВ НА ВЫНОСЛИВОСТЬ

Расчеты деталей машин, испытывающих переменные напряжения, начинаются в большинстве случаев со

статического расчета. Целью такого расчета яв­

ляется предварительное определение размеров детали из условий статической прочности.

После определения этих размеров и выбора конструк­ тивных форм производится проверочный расчет детали на выносливость, в котором должны учитывать­ ся влияние концентрации напряжений и размеров дета­ ли, влияние окружающей среды и других факторов, рас­ смотренных в §§ 10—12.

Но если качественно влияние каждого из этих, фак­ торов изучено достаточно подробно, то иначе обстоит дело с количественной оценкой.

Естественному стремлению отразить это влияние в расчетах на выносливость препятствует недостаточное

развитие и теории, и опытов, особенно опытов на натур­ ных деталях.

Можно даже сказать, что в машиностроении имеется ощутимый разрыв между сравнительно высоким уров­ нем развития науки об используемых материалах и рас­ четами на прочность при переменных напряжениях.

Следует также иметь в виду, что характер измене­ ния напряжений во времени может быть самым разнооб­

разным. Поэтому при расчете деталей различают пере­

менные напряжения, изменяющиеся по установив­ шемуся режиму, и переменные напряжения, измене­ ние которых носит случайный характер.

Примером первых являются напряжения, возникаю­ щие в деталях кривошипно-шатунного механизма при

. установившемся режиме работы двигателя. В этом слу-

75

чае изменения крутящего момента двигателя, как из­

вестно, носят периодический (циклический) характер (рис. 40), а поэтому и напряжения в деталях кривошип­ но-шатунного механизма изменяются тоже циклически.

Рис. 40. Изменение крутящего момента с изме­ нением угла поворота коленчатого вала дви­ гателя

Примером напряжений, изменение которых во време­ ни носит случайный характер, являются напряжения, возникающие в деталях подвески автомобиля при дви­

жении его по пересеченной местности.

Ниже рассматриваются расчеты лишь таких деталей, напряжения в которых изменяются по установившемуся режиму *.

Рассмотрим сначала методику расчета при действии напряжений симметричного цикла.

§ 13. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАПАСОВ ПРОЧНОСТИ ПРИ ДЕЙСТВИИ НАПРЯЖЕНИЙ СИММЕТРИЧНОГО ЦИКЛА

Конечной целью проверочных расчетов при действий

где п — фактически существующий или рабочий коэф­ фициент запаса прочности (в последующем вместо тер­ мина «коэффициент запаса прочности» используется термин «запас прочности»);

* Подробное изложение вопросов расчета на' выносливость и долговечность приводится в работах [2], [4]г [11], [12], [15].

76

апред _ Предельное для данного материала напряжение

(для пластичных материалов °пред = Для хрупких — °пред = ав )! тах с — рабочее напряжение в опасной точке поперечного сечения рассчитываемой детали *.

Аналогично выполняется проверочный расчет и при

действии переменных напряжений, но в этом случае предельным напряжением будет предел выносливости.

Пусть нагружение детали таково, что в опасной точ­ ке поперечного сечения возникают только нормальные или только касательные напряжения, изменяющиеся по установившемуся симметричному циклу и имеющие ам­

а также в поперечных сечениях вала, закручиваемого на угол +6°.

Предположим, что предел выносливости детали равен

по отношению к пределу выносливости.

Величина его задается специальными нормами или

выбирается проектировщиком на основании известных соображений [12].

Для стальных деталей она изменяется в пределах

1,3—8. Величину рабочего запаса прочности рас­ сматриваемой детали можно определить по формуле, аналогичной формуле (1):

(3)

где — амплитуда действующего цикла.

* При действии касательных напряжений 'формула (1) и пояс­ нения к ней записываются аналогично.

77

Если коэффициенты ^,7, 8 больше единицы,, то в расчетную формулу вводятся их значения:

°-i

(3')

Пример 1. Определить рабочий запас прочности в среднем сечении оси грузового вагона, движущегося по прямолинейному участку пути (рис.

41). Материал оси— осевая сталь (0,30— 0,45% С). Нагрузка

на ось 2Р = 20 т. Поверхностному уп­ рочнению ось не под­

вергалась.

Решение. 1. Ве­

личину рабочего за­

паса прочности оп­ ределим по форму­

ле:

о-1 = 22 кг/см2.*

3. Масштабный коэффициент находится из рисунка

разца и оси: образец тщательно шлифовался, а ось имеет грубо обточенную поверхность.

* См, «Вестник НИИ ж.-д. транспорта, № 3, 1956.

78

Поэтому технологический коэффициент 8— 1,1 (см.

Этот результат достаточно хорошо подтверждается ре­

безопасного использования вагонов при данной нагруз­

ке.

Если в процессе эксплуатации обнаружена потреб­ ность в увеличении п, то размеры вновь проектирующих­ ся осей должны назначаться так, чтобы для них запас прочности имел большую величину. Наоборот, отсутст­

вие поломок в процессе эксплуатации указывает на воз­ можность некоторого снижения величины п.

В заключение укажем, что при статическом расчете

79

Опыт эксплуатации показывает, что усталостные тре­

щины * возникают не только (и даже не столько) в средней части оси, но главным образом в месте напрес-

совки ступицы колеса, хотя диаметр оси d2 в подступич­ ной части больше диаметра

Это закономерно, так как при наличии прессовой по­ садки в -опасных точках оси возникают дополнительные

Всвязи с изложенным определим запас прочности для сечений в подступичной части оси.

Совместное влияние размеров детали и концентра­ ции напряжений в месте напрессовки можно оценить

произведением коэффициентов р-у.

Вприложении 2 (рис. 7) находим, что для нашего случая Ру = 3,5.

Поэтому

подступичной части, будет:

* Из общего количества бракуемых осей примерно 45% выбра­ ковывается из-за наличия усталостных трещин [13].

При переводе подвижного состава на подшипники качения этот процент может еще несколько повыситься, так как на шейки осей напрессовываются обоймы подшипников, и вероятность появления

усталостных трещин повышается.

В связи с этим еще больше усиливается значимость обкатки шеек роликами.

80