Пособие надежность. Ч1

ми и эксплуатационными особенностями деталей, а также соотношением параметров деформированной зоны и упрочняющего инструмента.

Таблица 4.1 Области использования некоторых методов поверхностного пластического

деформирования

Разработано большое число приспособлений и устройств для упрочнения поверхностным наклепом, отличающихся по назначению, конструкции и типоразмерам. Их разработкой и применением занимались научноисследовательские организации, машиностроительные заводы, предприятия различных отраслей промышленности. Особая роль принадлежит ЦНИИТМАШу, где под руководством И. В. Кудрявцева выполнено большое число разработок и исследований в области упрочнения поверхностным наклепом.

Особую положительную роль играют остаточные сжимающие напряжения, возникающие при ППД. Остаточные напряжения не релаксируют в стальных деталях десятки лет при нормальной температуре. Снятие остаточных напряжений при циклическом нагружении происходит только при высоких напряжениях. Большим достоинством ППД является отсутствие ослаблений в местах обрыва упрочненного слоя металла, имеющееся при поверхностной закалке.

170

Установлено весьма важное положение в отношении радиусов галтельных переходов: нет надобности делать большие радиусы, если применять упрочняющую обработку, которая снимает эффект концентрации. Это позволяет использовать всю длину шейки вала как опорную поверхность подшипника без уменьшения его несущей способности. При этом можно делать галтели очень малых радиусов ( r : D =0,01…0,03). Упрочнене галтелей малых радиусов рационально использовать как при изготовлении новых, так и ремонте эксплуатируемых деталей.

Поверхностное пластическое деформирование вызывает не только замедление роста трещин, но при определенных условиях приводит к полной остановке их распространения при неизменных режимах нагружения.

ППД можно применять для широкой номенклатуры деталей, в том числе работающих при низких и высоких температурах, ударных циклических нагрузках, малоцикловом нагружении и т. д.

Наклепанный слой материала чувствителен к нагреву. Повышение температуры до 150…200°С мало снижает напряжения сжатия, созданные наклепом, но при более высоких температурах остаточные напряжения уменьшаются; нагрев до 400…500°С, а в некоторых случаях только до 800°С, может полностью ликвидировать действие наклепа вследствие наступающего при этих температурах процесса рекристаллизации, устраняющего кристаллоструктурные изменения, внесенные наклепом.

Методы ППД весьма эффективны для повышения сопротивления коррозионной усталости, так как они оказывают высокое сопротивление развитию электрохимической неоднородности. Особенно эффективным является предварительное упрочнение ППД с последующей защитой упрочненного слоя различными покрытиями. В этом случае наклепанный слой не подвергается коррозии, и детали способны длительное время выдерживать циклические нагрузки.

Применение ППД для устранения дефектов от предшествующей технологической обработки весьма эффективно. Например, предел выносливости

171

пружинной стали в результате обезуглероживания может уменьшаться примерно на 60 %. Для устранения этого дефекта поверхности применяется виброшлифование или виброупрочнение, которые полностью устраняют влияние обезуглероживания на усталостные характеристики.

В трубных сварных соединениях с кольцевыми швами предел выносливости может быть ниже на 30…40 % относительно основного металла. Применение упрочнения стальными шариками (диаметром 1,5…3,5 мм) существенно повышает предел выносливости шва.

При нанесении покрытий возникают различные дефекты (поры, микро- и макротрещины, включения), которые приводят к существенному снижению усталостной прочности деталей. ППД металлопокрытий восстанавливает сопротивление деталей усталости частично или полностью, а иногда обеспечивает его выше исходного уровня.

При помощи ППД можно устранять литейные дефекты деталей (раковины, поры), погрешности геометрической формы деталей, полученные на предшествующих технологических операциях, уменьшать шероховатость поверхностей.

Наиболее актуальными направлениями в развитии методов ППД являются:

-механизация и автоматизация процессов упрочнения ППД, создание высокопроизводительных установок;

-разработка средств контроля процесса упрочнения ППД неразрушающими методами;

-изыскание рациональных форм и материалов для упрочняющего инструмента, обеспечивающих высокую стойкость в эксплуатации;

-разработка технологии и оборудования упрочнения методами ППД особо крупных деталей с глубиной деформирования до 30…40 мм;

-разработка новых видов комбинированных упрочняющих обработок (ППД в сочетании с другими видами обработки поверхности);

-установление закономерностей влияния ППД в сочетании с различными факторами;

172

- совершенствование расчетов деталей машин и частей конструкций с учетом благоприятного эффекта ППД.

2. Особенностипроцессаповерхностногопластическогодеформированиякак эффективногосредстваповышениянадежностидеталеймашин

Обработка деталей поверхностным пластическим деформированием является одним из основных способов повышения надежности деталей и сборочных единиц машин. Этим способом упрочняются пружины и листовые рессоры, зубчатые колеса и вагонные оси, коленчатые и торсионные валы, шатуны и диски трения, силовые шпильки и траки, сварные швы резервуаров, лопатки турбин, беговые дорожки крановых колес и др. Основными особенностями упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием являются:

1) Высокая эффективность способа как средства повышения усталостной прочности деталей. Срок службы многих деталей, работающих при ударном и переменном нагружении, которые лимитируют работу машин, вследствие поверхностного упрочнения увеличивается в несколько раз; сокращается потребность в запасных частях, резко, снижается выход машин из строя вследствие усталостного разрушения деталей. При равной или даже несколько повышенной долговечности после упрочнения можно повысить допустимые нагрузки, в первую очередь, для деталей, имеющих концентраторы напряжений (канавки, галтели, отверстия). Применение этого способа упрочнения расширяет возможности конструкторов в использовании более технологичных и конструктивных решений (например, галтелей малого радиуса вместо переменного или большого радиуса), в выборе материалов для деталей, сварных конструкций и гальванических покрытий, повышающих износостойкость и т. д. К таким покрытиям относится, например, хромирование, которое без поверхностного наклепа снижает усталостную прочность. Наряду с усталостной прочностью во многих случаях повышается износостойкость деталей и стабилизируются по своей прочности неподвижные посадки.

173

2)Универсальность способа упрочнения. Поверхностной чистовой и упрочняющей обработке можно подвергать детали любого размера и конфигурации, любой поверхностной твердости. Этому способствует разработка ряда новых методов поверхностного упрочнения, например таких, как вибрационная объемная обработка, алмазное выглаживание, вибрационное обкатывание.

3)Технологическая простота способа упрочнения, возможность его применения в различных типах производства не только при изготовлении, но и при ремонте машин. В многих случаях для поверхностного упрочнения не требуется специального оборудование, конструкция применяемых приспособлений не отличается большой сложностью и высокой стоимостью, она надежна в работе. Большинство разновидностей процесса отличается небольшой трудоемкостью, легко поддается механизации и автоматизации. Специальное оборудование легко встраивается в поточные и автоматические линии. Процессы упрочнения легко управляемы и стабильны по режимам и получаемым результатам.

4)Возможность замены этим способом шлифования и других видов абразивной обработки. Шлифование часто сопровождается прижогами, нарушает структурную однородность поверхностных слоев, ведет к другим дефектам, не свойственным или легко предупреждаемым при поверхностном пластическом деформировании.

Изучение причин поломок деталей показывает, что большинство из них вызвано усталостью металла, нормальное же функционирование машин или отдельных агрегатов нарушается чаще всего из-за быстрого износа ряда деталей. Поверхностная обработка давлением позволяет устранить или значительно снизить влияние обоих указанных факторов, повысить как прочностную, так и размерную долговечность деталей.

Повышение усталостной прочности связано с созданием в поверхностных слоях благоприятных остаточных внутренних напряжений. Принято различать три рода остаточных напряжений: 1-го рода – напряжения, которые уравно-

174

вешиваются в пределах детали или участка ее поверхности; 2-го рода – напряжения, которые уравновешиваются в пределах отдельного зерна; и 3-го рода – напряжения, которые уравновешиваются в пределах кристаллической решетки. Усталостная прочность зависит от напряжений 1-го рода, именно их создает поверхностная пластическая обработка. Остаточные напряжения порождаются и термической обработкой и обработкой резанием. Однако получение остаточных напряжений не является целью указанных методов, они являются неизбежным, но побочным и часто нежелательным результатом воздействия нагрева и охлаждения при термической обработке, сил пластической деформации и нагрева при резании. При поверхностном пластическом деформировании в поверхностном слое формируются остаточные напряжения определенной величины и определенного знака. Обычно поверхностные слои деталей в работе испытывают напряжения растяжения.

Упрочнить поверхность, следовательно, можно только создав в ней напряжения сжатия. Если учесть, что при термической обработке и при резании в поверхностных слоях часто возникают напряжения растяжения, то при поверхностном, пластическом деформировании необходимо их снизить. На рис. 4.2 условно принято, что поверхностные слои имеют остаточные напряжения растяжения (знак плюс), которые постепенно, по мере приближения к центру сечения переходят в напряжения сжатия (знак минус). Уровень допустимых напряжений (σт) условно обозначим вертикальной линией А А. Очевидно, что без упрочнения поверхностные слои могут выдерживать напряжения от активных нагрузок несколько ниже σт, т. е. σт = σт-σр. Если же обработкой удастся создать в поверхностных слоях остаточные напряжения сжатия, то допустимый уровень напряжений будет выше σт, т. е. σт = σт+σсж.

Наиболее полное объяснение механизму упрочнения дает теория дислокаций. Все процессы, происходящие в металлах и сплавах, как и их свойства, неразрывно связаны с характером и плотностью дефектов кристаллической решетки. Под дефектами кристаллического строения понимают нарушения в периодичности расположения атомов в пространстве, не связанные с тепловы-

175

ми колебаниями атомов и упругими деформациями. В зависимости от протяженности различают три вида дефектов: точечные, к которым относятся вакансии и межузельные атомы; одномерные (линейчатые), к которым относятся дислокации, и двухмерные (пространственные), к которым относятся границы блоков, двойников, зерен.

Рис. 4.2. Эпюра остаточных напряжений по сечению цилиндрической детали

Пластическая деформация есть выражение сдвигов, происходящих под действием нагрузки в кристаллической решетке. В поликристаллических телах, каковыми являются металлы, сдвиги происходят по направлениям, ориентированным к приложенной силе под углом 45°, т. е. по направлениям действия максимальных касательных напряжений. Сдвиги идут не по границам зерен, а внутри их, и начинаются с тех зерен, у которых с направлением действия указанных напряжений совпадают плоскости кристаллов с наибольшей плотностью атомов. Затем в пластическую деформацию вовлекаются зерна с иной ориентацией атомов. Дислокация может рассматриваться как граница незавершенного сдвига. В результате взаимодействия отдельных дислокаций между собой возникают различного рода барьеры, препятствующие дальнейшему

176

движению дислокаций. Кристаллическая решетка искажается, в результате происходящих сдвигов на месте бывших зерен образуются продукты их разрушения – вытянутые вдоль приложенной силы обломки зерен или блоки. Растет плотность дислокаций, меняется не только взаимное расположение атомов в кристаллической решетке, но и многие узлы ее оказываются не заполненными атомами, т, е. наряду с ростом количества дислокаций увеличивается количество вакансий. Все это вместе взятое и ведет к деформационному упрочнению металла при холодной пластической деформации.

Рис. 4.3. Кривая растяжения чистого от примесей монокристалла

На кривой растяжения чистого от примесей монокристалла (рис. 4.3) со структурой гранецентрированного куба различают три стадии деформации, каждая из которых специфична. В течение стадии I – легкого или ламинарного скольжения, дислокации проходят большие расстояния, могут выходить из кристалла, плотность их не возрастает, упрочнение на этой стадии невелико. Стадия II характеризуется появлением скольжений по нескольким плоскостям, дислокации пересекаются и вступают во взаимодействия, возникают пороги и барьеры дислокаций, плотность дислокаций возрастает, идет постоянное и непрерывное упрочнение металла. На стадии III развиваются поперечные скольжения, происходит частичная релаксация напряжений, дислокации противоположного знака могут взаимно поглощаться, интенсивность упрочнения

177

по сравнению со стадией II резко уменьшается. Чем выше температура, при которой совершается пластическая деформация, тем раньше, т. е. при более низком уровне упрочнения и при более низких напряжениях начинается стадия III, которая называется также стадией динамического отдыха. Таким образом, возникновение напряжений при пластическом деформировании металла является результатом искажений, происшедших в кристаллической решетке, имеющих необратимый характер, в результате появления и развития дислокаций, возникновения вакансий и т. д. Эти явления служат причиной повышения прочности металла, его твердости и снижения пластичности, т. е. перехода в состояние, которое носит название наклепа.

Большое влияние на появление внутренних напряжений и упрочнение оказывают процессы, связанные с распадом при пластическом деформировании твердых растворов, выделением по плоскостям скольжения продуктов этого распада, а также попаданием между блоками осколков зерен, резко увеличивающих силы взаимодействия между отдельными элементами кристаллической решетки. При наличии в поверхностном слое после закалки структуры остаточного аустенита причиной упрочнения может явиться его распад и превращение в мартенсит. Это превращение сопровождается увеличением удельного объема, что также приводит к возникновению остаточных напряжений сжатия. Наряду с этим идет измельчение мартенсита, превращение его в мелкоигольчатую структуру, которое сопровождается повышением всех механических свойств металла. Изменение механических свойств поверхностных слоев сопровождается и выпадением карбидной фазы, которое наблюдается при обработке ряда сталей.

Следовательно, можно установить две причины упрочнения поверхностных слоев при поверхностном деформировании: 1) улучшение физикомеханических свойств металла вследствие различных структурных превращений, измельчения зерен и т. п.; 2) формирование в поверхностном слое остаточных напряжений сжатия, возникающих вследствие развития явлений сдвига в кристаллической решетке. Эксплуатационные свойства деталей определяют-

178

ся обоими этими факторами. К этому следует добавить улучшение качества поверхности: значительно уменьшается высота неровностей и они становятся более плавными, увеличивается площадь фактического контакта между поверхностями сопряженной пары и облегчаются условия приработки деталей.

В процессе поверхностного пластического деформирования, кроме того, происходит заглаживание, завальцовывание микроскопических надрывов и трещин, являющихся концентраторами напряжений. Существует мнение, что основное влияние поверхностный наклеп оказывает даже не на возникновение усталостных трещин, а на их развитие, задерживая его. Развитию усталостных трещин на базе имеющихся концентраторов напряжений особенно благоприятствует агрессивная среда, в которой работают многие детали.

Упрочнение стальных, чугунных и алюминиевых деталей. Упрочнение стальных деталей методами поверхностного пластического деформирования применяется сравнительно давно. Сначала полагали, что упрочнению можно подвергать лишь стали невысокой твердости, поскольку они обладают наибольшей пластичностью. Возможность упрочнения сталей с твердостью выше HRC 35…40 почти полностью исключалась. Отрицалась также возможность упрочнения деталей, подвергнутых цементации и азотированию из-за хрупкости и высокой твердости поверхностных слоев. Работами проф. И. В. Кудрявцева и других было установлено, что наибольшей упрочняемостью, обладают мартенситные структуры, наименьшей – сорбитные. График на рис. 4.4 характеризует относительный прирост твердости при пластическом поверхностном деформировании для сталей с различными структурами. Режимы и эффективность упрочнения, влияние его на эксплуатационные свойства деталей зависят от физи- ко-механических свойств материала деталей. Рассмотрим несколько примеров, иллюстрирующих поведение различных сталей при упрочнении.

179