Пособие надежность. Ч1

200 400 600 HV Твердость исходных структóð

Рис. 4.4. Зависимость прироста твердости при пластическом деформировании сталей с различными структурами

Результаты исследований упрочняемости сталей 18Х2Н4ВА и 45ХНМФА с различными структурами показывают, что упрочнение обкатыванием сталей с мартенситной структурой более эффективно в отношении предела выносливости, чем сталей с трооститной и сорбитной структурами. У стали со средним содержанием углерода упрочнение выше, чем у низкоуглеродистой. Напряжения сжатия, создаваемые обкатыванием, также выше при мартенситной структуре, причем для стали 45ХНМФА они больше, чем для стали 18Х2Н4ВА. Для обеих сталей наблюдается прямая зависимость прироста предела выносливости от величины максимальных напряжений сжатия. Однако при одинаковых зна-

180

чениях остаточных напряжений прирост предела выносливости стали 45ХНМФА при сорбитной структуре выше, чем при мартенситной, а для стали 18Х2Н4ВА – наоборот. Из этого следует, что влияние структуры (она определяет статическую прочность) на усталостную прочность стали 45ХНМФА более значительно, чем влияние остаточных напряжений. Что касается прироста твердости поверхностного слоя, то он составляет 16…18 % при мартенситной структуре и 10…12 % при сорбитной. Прямой зависимости между приростом твердости и пределом выносливости не обнаружено.

Высокая эффективность упрочнения мартенситной стали объясняется развитием дислокаций и перераспределением атомов внедрения углерода в кристаллической решетке. Вследствие неравномерности деформации при обкатывании в поверхностном слое глубиной 5…20 мкм могут возникать микротрещины и микронадрывы. Мартенситная сталь, отличающаяся более высокой прочностью, чем стали с сорбитной структурой, меньше склонна к образованию трещин. Чтобы их вызвать, нужно обкатывание производить при большей силе. Эффект упрочнения сталей с мартенситной структурой был бы еще выше, если бы не малое сопротивление хрупкому разрушению и не повышенная чувствительность к концентраторам напряжений. Связанное с обкатыванием повышение механических свойств как бы компенсирует недостаток пластичности указанных сталей.

Значительный интерес представляют исследования влияния наклепа на контактную выносливость углеродистых и легированных сталей после закалки. Наименьший уровень остаточных напряжений после наклепа обкатыванием шариком имеют стали со структурой сорбита. Существенным фактором повышения контактной выносливости является ликвидация обкатыванием структурной неоднородности поверхностных слоев, которая характерна для шлифованных поверхностей, и уменьшение в результате этого разброса микротвердости. Остаточные напряжения сжатия после обкатывания тем выше, чем больше сталь после закалки содержала остаточного аустенита, который обкатыванием переводится в мартенсит. В стали 14Х2НЗМА, например, количество остаточ-

181

ного аустенита с 30…45 % снижалось до 13,5…16,0 %, а в стали ШХ15 – с 16…18 % до 4,5…6 %. При этом пластины мартенсита измельчались и изменялась их ориентация. Глубина упрочненного слоя сталей с мартенситной структурой достигала 0,7…1,2 мм при повышении твердости на 12…25 %.

Режимы обкатывания или другого вида поверхностного упрочнения необходимо выбирать такими, при которых упрочнение не сопровождается большим нагревом обрабатываемой поверхности, поскольку остаточные напряжения образуются в результате суммарного воздействия пластической деформации, нагрева и фазовых превращений в металле. Если температура при обкатывании не превышает 150…180°С, то термопластические деформации не возникают и максимальные напряжения сжатия располагаются у самой поверхности детали. Если же нагрев достигает 300…350°С, то появляются термические напряжения, остаточные напряжения уменьшаются. Упрочнение цементированных и азотированных сталей возможно только в узких пределах давлений, например, для азотированной стали 18Х2Н4ВА он равен 560…700Н/мм2. Меньшие нагрузки практически не влияют на выносливость, большие приводят к появлению трещин в азотированном слое. Трещины могут появляться и при завышенном числе проходов, а также при чрезмерно малой подаче. Оптимальным является 1…2 прохода при подаче 0,1…0,15 мм/об. детали. Предел выносливости повышается на 15…20 %. Нагрев образцов после упрочнения до 150°С приводит к существенному перераспределению остаточных напряжений в поверхностном слое. При нагреве до 200°С эпюра напряжений почти такая же, как в азотированной стали без упрочнения.

Поверхностное пластическое деформирование (обкатывание роликом, наклеп дробью) можно применять для повышения усталостной прочности деталей из ковкого и высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Серые чугуны не восприимчивы к такому упрочнению из-за почти полного отсутствия пластических свойств. Обкатывание роликом при нагрузке 1000…1200 Н, числе оборотов 600 в минуту и подаче 0,2 мм/об. с последующим нанесением надреза повысила выносливость на 43 % ферритного и на 50…60 % ферритно-

182

перлитного чугунов. На основе этих данных отливки из ферритно-перлитного чугуна можно рекомендовать подвергать дробеструйной обработке с целью очистки и упрочнения, а отверстия под подшипники в отливках раскатывать роликами. Высокой эффективностью характеризуется обкатывание галтелей коленчатых валов дизелей, изготовляемых из высокопрочного чугуна и проходящих азотирование в газовой среде при температуре 560…580°С в течение 96 ч. Глубина азотированного слоя при этом составляет 0,7…0,9 мм. Само азотирование повышает усталостную прочность на 25…30 %. Двойное обкатывание (до и после азотирования) позволяет увеличить усталостную прочность на 60…70 %. Остаточные напряжения, полученные при первом обкатывании, снимаются нагревом при азотировании; обкатывание обеспечивает получение более правильной формы галтели, заглаживает неровности и риски после механической обработки и повышает эффективность последующего азотирования и повторного обкатывания.

Детали из алюминиевых сплавов можно подвергать обкатыванию шариками и роликами для повышения твердости, стабилизации неподвижных посадок и повышения выносливости. Исследование влияния наклепа некоторых сплавов на ограниченный предел выносливости показывает, что глубина наклепанного слоя и остаточные напряжения, возникающие при этом, ниже, чем у стальных деталей. Тем не менее, даже по сравнению с полированными образцами, предел выносливости упрочненных образцов оказывается несколько выше.

Эффективность упрочнения деталей из жаропрочных и титановых сплавов. В

машиностроении применяют различные жаропрочные и титановые сплавы. Сплавы титана применяют при рабочих температурах до 550°С, сплавы на никелевой и никелькобальтовой основе – при 600…1000°С, сплавы на основе молибдена и ниобия – при 1000…1400°С, сплавы на основе вольфрама – при 1600°С и выше. Детали, изготовленные их этих сплавов, разрушаются по усталостным причинам не менее часто, чем стальные детали, причем на усталость большое влияние оказывает состояние поверхностного слоя, его микрогеометрия и напряженное состояние.

183

Жаропрочные сплавы обладают большей склонностью к упрочнению, чем конструкционные стали. Уровень остаточных напряжений при гидродробеструйной обработке жаропрочного деформируемого сплава ХН77ТЮР примерно в 3 раза, а титанового сплава ВТЗ-1 – в 1,6…1,7 раза выше, чем стали 40ХНМА. Выше эффективность упрочнения и по приросту усталостной прочности. Характерным для указанных сплавов является их высокая чувствительность к изменению напряженного состояния поверхностного слоя, к появлению как растягивающих, так и сжимающих остаточных напряжений, возникающих под действием сил и нагрева во время обработки резанием. Поскольку условия обработки резанием различных участков детали неодинаковы, различны (по знаку и величине) и напряжения, возникающие при ней. Неравномерность в распределении напряжений приводит к снижению прочностных характеристик деталей. Устранить эту неравномерность можно лишь последующим поверхностным упрочнением.

Для сталей устойчивость остаточных напряжений при нагреве весьма велика. У обычных конструкционных сталей только длительная выдержка при нагреве до 150°С может привести к снижению остаточных напряжений и то не более чем на 15…20 %. У специальных жаропрочных сталей усталостная прочность, достигнутая упрочнением, сохраняется до 400…600°С.

У различных марок жаропрочных сплавов температурный порог, при котором происходит релаксация остаточных напряжений и снижение твердости, различен. Например, у сплава ХН77ТЮ полное снятие наклепа не наблюдается даже при 900°С. Обычно, чем выше жаропрочность сплава, тем выше эта температура. Релаксация напряжений происходит в основном в результате диффузионных процессов и чем выше остаточные напряжения, тем ниже температура их резкого снижения; при напряжениях 150…450 Н/мм2 она на 30…80° ниже, чем при напряжениях 500...1000 Н/мм2.

Наиболее интенсивно напряжения снижаются обычно в первые часы работы детали, затем уровень их почти не изменяется. Напряжения вообще могут

184

сохраняться на прежнем уровне, если деталь работает при температуре ниже той, при которой происходит их резкое снижение.

Титановые сплавы ведут себя аналогично. При температуре до 400°С в титановом сплаве ВТЗ-1 значительное снижение напряжений и степени наклепа наблюдается лишь в первые 100 ч работы, после чего процесс идет медленнее. Однако уже при температуре 450°С картина резко меняется: идет резкое снижение напряжений и степени наклепа; уже через 100 ч их уровень оказывается таким же, какой при 400°С достигается лишь спустя 500 ч.

Таким образом, вопрос об упрочнении поверхностным наклепом деталей из титановых и жаропрочных сплавов нужно решать с учетом того, при какой температуре они работают. Если она заведомо равна или выше критического порога, упрочнение будет бесполезным и его применять не следует.

По данным проф. С. В. Серенсена, предел выносливости углеродистой стали при наклепе растяжением повышается на 35 %, а при обкатывании роликом – на 25 %. Аналогичный эффект упрочнения наблюдается и у титановых сплавов. Жаропрочные же сплавы не могут подвергаться сквозному наклепу растяжением, выносливость их при этом снижается, так как в некоторых зернах образуются микротрещины. Поверхностный же наклеп дает повышение предела выносливости. Предел выносливости гладких образцов одного из самых жаропрочных сплавов марки ХН55ВМТФКЮ после точения 300 Н/мм2; при наличии V-образного надреза, по форме соответствующего пазу замка лопатки, предел выносливости снижается до 180 Н/мм2; после упрочнения образца с надрезом его выносливость увеличивается до 410 Н/мм2, у образцов без надреза она также возрастает более чем в 2 раза. На части образцов из сплава ЭИ929 фрезеровали паз по форме первого паза турбинной лопатки. Часть образцов упрочняли обкаткой роликом при 4500 Н в четыре прохода. Усталостные испытания проводили при 750°С. Изменения в микроструктуре фиксировались на оптическом микроскопе методом декорирования дислокаций. Упрочнение накаткой увеличило циклическую прочность с 450 до 800 Н/мм2 (т. е. примерно на 80 %); выдержка при 750°С в течение 300 ч снизила ее до

185

620 Н/мм2. Эффект упрочнения, равный 55%, сохранился при выдержке в течение 1000 ч, далее начался спад и при общей выдержке в 1500 ч прочность оказалась даже ниже, чем исходная без упрочнения (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Влияние времени выдержки при температуре 750°С на эффект упрочнения, выраженную через циклическую прочность сплава ЭИ929:

1 – сплав неупрочненный; 2 – сплав, прошедший упрочнение обкатыванием

По тем же данным, для хвостовиков турбинных лопаток целесообразный уровень поверхностных сжимающих напряжений равен 220…400 Н/мм2, причем для жаропрочных сплавов он должен быть более высоким. Превышение указанного уровня нежелательно, так как из-за увеличения глубины и степени наклепа релаксация остаточных напряжений и разупрочнение идут более быстро. С учетом сказанного следует выбирать тот или иной вид упрочнения с тем, чтобы получить стабильно необходимый уровень сжимающих напряжений.

Эффект упрочнения зависит от характера шероховатости поверхности, полученной предшествующей обработкой. Например, гидрогалтовка дробью после шлифования деталей из титанового сплава ВТЗ-1 позволяет повысить предел выносливости с 380 до 560 Н/мм2, а после полирования – с 530 до 640 Н/мм2. Эпюра напряжений по глубине слоя при этом примерно одинаковая.

Так как детали из жаропрочных и титановых сплавов работают в условиях тепловых напряжений, связанных с большими перепадами температур, следует учитывать, что поверхностное упрочнение при определенных условиях может

186

снизить термоусталость сплава. Это необходимо иметь в виду при решении вопроса об упрочнении и при эксплуатации узлов с упрочненными деталями. Нельзя допускать работу, связанную с большими скоростями нагрева и охлаждения.

Влияние упрочнения на длительную прочность при различных температурах еще недостаточно изучено. Под длительной прочностью понимается время до разрушения при данной статической нагрузке, связанное с ползучестью. Сопротивление ползучести выражается через предельное напряжение, ниже которого скорость ползучести настолько мала, что не может вызвать разрушения за достаточно большой промежуток времени.

Детали из жаропрочных и титановых сплавов часто имеют сложную форму. Упрочнение их производится дробеструйной обработкой. Для снижения шероховатости (обычно она соответствует 4…5-ому классу) в зону обработки подается жидкость. Пленка жидкости распределяет энергию удара на большую площадь, остаточные напряжения выравниваются по поверхности, устраняется угроза появления трещин на границе упрочненного и неупрочненного материала, деталь также меньше нагревается при обработке.

Титановые сплавы отличаются повышенной чувствительностью к концентраторам напряжений. Для них характерна низкая теплопроводность, поэтому при шлифовании происходят фазовые превращения, развиваются неблагоприятные остаточные напряжения. Поверхностное пластическое деформирование помогает устранить их влияние на работу детали. Обкатывание галтели у болтов из титанового сплава ВТ-16 ликвидирует вредное влияние шлифования и повышает долговечность болтов в условиях повторно-статических нагрузок в 17…20 раз, а предел выносливости – в 2 раза. Схема обкатывания показана на рис. 4.6. Радиус профильной части ролика принимают на 0,1…0,15 мм меньше радиуса галтели. При обкатке болтов М6 и М8 оптимальная сила равна 1400 Н, а для болтов M10 – 1800 Н. В поверхностном слое при обкатке возникают напряжения сжатия 300…650 Н/мм2 с глубиной распространения до 0,6 мм. Обкатыванием исправляется и калибруется форма галтели.

187

остаточного аустенита в мартенсит. Особенно велико влияние дробеструйной обработки после закалки шестерен при нагреве т. в. ч. При закалке в месте перехода закаленной зоны в незакаленную образуется участок с преобладанием растягивающих напряжений, этот участок является технологическим концентратором напряжений, который ликвидирует дробеструйная обработка. Наклеп дробью применяется в инструментальном производстве для упрочнения пуансонов, матриц для холодной штамповки, спиральных сверл и т. д.

Глубина наклепанного слоя, в котором заметно изменение твердости, при дробеструйной обработке сравнительно невелика и редко превышает 1 мм. Поверхностная твердость у среднеуглеродистых сталей повышается на 20…30 %. у цементированных и инструментальных – на 10 %. Наибольшее приращение твердости наблюдается у сталей аустенитного класса, когда наклёп сопровождается распадом аустенита и образованием мелкодисперсных частиц карбидной фазы. Например, твердость стали Г13 в результате интенсивного наклепа повышается с НВ 187 до НВ 460; при этом эффект упрочнения сохраняется при нагреве до 600°С. Глубина и степень наклепа, как и возникающие при этом остаточные напряжения сжатия, возрастают с увеличением скорости дроби v, угла встречи ее с обрабатываемой поверхностью и диаметра дробинок. Шероховатость поверхности, так же как и точность, при дробеструйной обработке не улучшаются, возможно даже увеличение шероховатости (обычно она соответствует 4…7-ому классам). Если твердость материала превышает HRC 60, при дробеструйной обработке может сохраниться исходная шероховатость, соответствующая – 8… 9-му классам.

Дробеструйная обработка обычно является последней операцией в технологическом процессе. Последующее шлифование, как и при других видах поверхностной обработки, может серьезно снизить эффект упрочнения. Дробеструйная обработка может быть применена повторно, например, при капитальном ремонте машин.

Для упрочнения используется в основном чугунная и стальная дробь, а для деталей из цветных сплавов – алюминиевая или стеклянная дробь (энергия

189