книги / Усталость крупных деталей машин

Предел выносливости крупных валов диаметром 160 мм из стали 35 с охватывающей втулкой одинаков после нормализации и после термического улучшения и составляет 115 МПа. Сталь 35 об­ ладает практически одинаковым сопротивлением усталости в круп­ ных сечениях после нормализации и после термического улучшения.

Исследованная легированная сталь оказалась более чувстви­ тельной к масштабному эффекту на валах с прессовой посадкой, чем углеродистая. При увеличении диаметра образцов с прессовой посадкой с 12 до 160 мм предел выносливости стали 34ХН1М снижается на 44%. Для стали 35 после термического улучшения это снижение равно 11%. Масштабный коэффициент соответственно равен 0,55 (сталь 34ХН1М) и 0,88 (сталь 35).

Представляет интерес сопоставление полученных величин с масштабным коэффициентом сталей 40Х и 40ХН, обладающих меньшей статической прочностью, чем сталь 34ХН1М. Проведен­ ный анализ показывает, что сталь 34ХН1М более чувствительна к снижению предела выносливости за счет увеличения диаметра, чем стали 35, 40Х и 40ХН, имеющие меньшее временное сопротив­ ление разрыву.

В условиях концентрации напряжений, вызываемой прессовой посадкой на вал, преимущество стали 34ХН1М, по сравнению со сталью 35, по сопротивлению усталости сохраняется до диаметра 100— ПО мм. Для образцов большего диаметра преимущество легированной стали исчезает. После нормализации с отпуском и закалки с отпуском крупные валы из стали 35 обладают практи­ чески одинаковыми механическими свойствами и сопротивлением усталости в условиях работы с прессовой посадкой.

В этой связи применение высоколегированной стали для дета­ лей с прессовой посадкой целесообразно только в сочетании со специальными методами поверхностного упрочнения, в частности поверхностным наклепом. Без такой обработки крупные валы с прессовой посадкой, работоспособность которых определяется сопротивлением усталости при изгибе по симметричному циклу, целесообразно изготовлять из мягкой углеродистой стали. При этом снижается трудоемкость обработки таких валов при одновре­ менном повышении их несущей способности.

•руководством механического отделения Ассоциации американских железных дорог [49]. Валы, закрепленные одним концом, испыты­ вали (на базе 85 млн. циклов) на изгиб с вращением. Насаженное на вал колесо после испытания снимали и вал исследовали магнит­ ными и фотомикрографическими методами.

Цель исследования — установить влияние различных составов сталей, термообработки и термических остаточных напряжений на

di

сопротивление усталости валов больших диаметров. Было испы­ тано десять серий образцов, изготовленных из шести различных углеродистых и легированных сталей (табл. 43). В каждой серии было испытано от 3 до 16 образцов. Часть поковок для образцов подвергали нормализации и отпуску (серии 1, 3, 4 и 5), другую часть закалке и отпуску (серии 2, 6, 7, 8) и третью — специальной обработке для создания благоприятных остаточных напряжений (субкритическая закалка). Последними обрабатывали образцы серий № 9 и 10. Валы в серии № 9 после нормализации и отпуска (как и для серии № 1) были дополнительно нагреты до 627 °С

Нормализованные и отпущенные стали

Закаленные и отпущенные стали

П р и м е ч а й ие. Значения предела выносливости в процентах даны по ориги­ налу, в МПа получены пересчетом.

(температура первоначального отпуска) и охлаждены в воде. Валы серии № 10 после термообработки (закалки и отпуска при 540 °С)

разцы серий № 9 и 10 имели значительные остаточные напряжения в наружных слоях (на глубину ок. 25 мм). Механические свойства образцов различных серий после соответствующих термообработок существенно различались (табл. 44). Результаты испытаний пред­ ставлены в табл. 45.

Указанные в табл. 45 значения пределов выносливости опре­ делены по критерию макроразрушения образцов на базе 85 млн. циклов. Самые низкие напряжения, при которых еще обнаружи­ вались усталостные трещины в подступичной части валов, состав­ ляли 35 МПа.

В результатах испытаний на усталость обращает внимание прежде всего отсутствие прямой связи между значениями пределов выносливости и механическими свойствами металла различных серий. Из группы нормализованных и отпущенных сталей преиму­ щество по сопротивлению усталости имела углеродистая сталь. Легированные стали по значению предела выносливости оказались

менее прочными (на 14%).

В группе закаленных и отпущенных сталей также наилучшие результаты по сопротивлению усталости показали валы из угле­

родистой стали. При этом преимущество углеродистой стали перед легированной было отмечено несмотря на значительную разницу в механических свойствах сравниваемых сталей в пользу легиро­ ванной стали (сти было соответственно 643 и 1040 МПа).

Субкритическая закалка была исследована лишь на углероди­ стой стали, но можно полагать, что применение ее и для легирован­ ных сталей было бы весьма эффективно. Повышение предела вы­ носливости в результате образования благоприятных остаточных напряжений после субкритической закалки валов весьма значи­ тельно (64—73%).

Результаты испытаний показали также, что примененные два вида термообработки (нормализация — отпуск и закалка — от­ пуск) не выявили преимущества какого-либо из них.

Скорость распространения усталостных трещин в валах серий № 9 и 10 (субкритическая закалка) оказалась сильно пониженной по сравнению со скоростью распространения трещин в валах других серий.

Значительный разброс опытных данных по пределу выносли­ вости деталей в зонах контакта объясняется в первую очередь тем, что критерием разрушения выбирали разные стадии развития усталостной трещины. В подступичных частях валов появление мелких усталостных трещин наблюдается уже при весьма низких значениях переменных напряжений (меньше 50—60 МПа при изгибе по симметричному циклу крупных деталей). Эти трещины с ростом числа циклов нагружения развиваются весьма медленно. Существует значительный интервал напряжений, при котором появившиеся усталостные трещины в подступичной части валов, достигнув некоторой величины, прекращают свой рост при даль­ нейшем увеличении числа циклов в заданном режиме нагружения. Такие нераспространяющиеся трещины наблюдаются и в других случаях (валы с резкими концентраторами напряжений, поверх­ ностно-упрочненные детали, сварные швы и пр.). Однако в зонах контакта особенно велик интервал значений переменных напряже­ ний, в котором усталостные трещины появляются и не развиваются больше определенной величины.

Процесс развития усталостных трещин в подступичных частях идет сравнительно медленно, и деталь, имеющую трещины, можно длительное время эксплуатировать в заданном режиме. Во многих случаях практики приходится считаться с тем, что в находящихся в эксплуатации деталях (даже весьма ответственных) появляются усталостные трещины, которые либо не развиваются вовсе, либо развиваются достаточно медленно. В связи с этим в ряде случаев при назначении допустимых напряжений для деталей с напрессовками приходится исходить не из того, чтобы полностью исклю­ чить появление усталостных трещин, а чтобы скорость развития этих трещин не выходила за определенные пределы. Так именно обстоит дело с весьма ответственными деталями подвижного состава железных дорог — локомотивными и вагонными осями.

Глава V

УПРОЧНЕНИЕ КРУПНЫХ ДЕТАЛЕЙ МАШИН ПОВЕРХНОСТНЫМ НАКЛЕПОМ

Остаточные напряжения являются спутниками многих техноло­ гических процессов в современном машиностроении: сварки, литья, термической обработки, обработки резанием и давлением, шлифо­ вания и др. Остаточные напряжения появляются в металлических изделиях в связи с неравномерными объемными изменениями, вызываемыми процессами пластического деформирования или структурного превращения, и могут достигать весьма значитель­ ных величин (десятки килограммов на квадратный миллиметр).

Еще в 1888 г. русский инженер и ученый Н. В. Калакуцкий впервые показал существование остаточных напряжений в ору­ жейных стволах и указал способ их определения, использовав известное решение задачи Ляме.

В 1927 г. Закс публикует свою работу по методике определе­ ния остаточных напряжений в объемных осесимметричных деталях.

Большую роль в создании методов определения остаточных напряжений играют работы Н. Н. Давиденкова, относящиеся к тонкостенным трубам и пластинам (1928 г.). Эти методы, осно­ ванные на разрезке и стравливании, и сейчас широко используют для измерения остаточных напряжений. Работы Н. Н. Дави­ денкова и его сотрудников в Ленинградском физико-техническом институте стали основой многих прикладных исследований по остаточным напряжениям в Советском Союзе и за рубежом. В этом же институте разработаны методы определения остаточ­ ных напряжений рентгеноскопическим измерением искажений атомной решетки. Эти методы также получили распространение как у нас, так и за рубежом.

Долгое время среди специалистов существовало мнение, что остаточные напряжения играют только отрицательную роль. В связи с этим стремились к уменьшению величины остаточных напряжений или устранению их вредного влияния на прочность

и форму крупных поковок и отливок в машиностроении. И только

вначале 50-х годов появились исследования, в результате кото­ рых стало возможным использование остаточных напряжений для повышения прочности и долговечности деталей машин и частей сооружений.

Результаты этих исследований особенно широко стали исполь­ зовать в связи с развитием различных поверхностных упрочне­ ний деталей (диффузионным насыщением, поверхностной закал­ кой, поверхностным пластическим деформированием). Исключи­ тельно сильным средством повышения несущей способности ока­ зались остаточные сжимающие напряжения для деталей с кон­ центраторами напряжений. Было установлено, что остаточные напряжения, подобно напряжениям от внешних силовых воздей­ ствий, концентрируются вокруг надрезов, выточек и мест резкого изменения поперечных сечений.

Опытами ЦНИИТМАШа было показано, что остаточные напря­ жения в стальных изделиях сохраняются без изменений в течение многих лет.

Подробный анализ взаимодействия напряжения от нагрузок и остаточных напряжений с критериями сопротивления усталости был выполнен в конце сороковых годов в ЦНИИТМАШе [12]. Основные выводы из этого анализа сводятся к следующему.

Роль остаточных напряжений в сопротивлении усталости может быть отождествлена с ролью средних напряжений цикла. Предельные амплитуды, определяющие предел выносливости, уменьшаются с повышением среднего растягивающего напряже­ ния и увеличиваются с ростом среднего сжимающего напряжения. Это положение обусловлено тем, что большинство современных металлических машиностроительных материалов обладает различ­ ной сопротивляемостью разрушению при растяжении и при сжа­ тии (так называемая неравнопрочность материалов).

Наличие остаточных напряжений (так же как и напряжения от внешних воздействий) будет влиять на предел выносливости только в том случае, если материал обладает свойствами неравнопрочности. Для материалов, равнопрочных при растяжении и при сжатии, наличие остаточных напряжений проявляться не будет.

Такие материалы, как армко-железо, не повышают заметно предела выносливости в результате дробеструйной обработки, хотя последняя и создает значительные сжимающие остаточные напряжения в поверхностных слоях образцов. Эффективность остаточных напряжений (в смысле их влияния на предел вынос­ ливости) будет увеличиваться вместе с ростом значений неравнопрочности.

Установлено, что для одного и того же материала растягиваю­ щие остаточные напряжения в меньшей степени снижают предел выносливости, чем такие же по величине сжимающие напряжения повышают предел выносливости. При этом разница между эффек­ тивностью растягивающих и эффективностью сжимающих напря­ жений (одних и тех же по абсолютной величине) будет увеличи­ ваться вместе с ростом значений неравнопрочности. Одно и то же остаточное напряженное поле для одного и того же материала оказывает различное влияние на предел выносливости в зависи.

мости от характера действующих переменных напряжений. Для образцов или деталей, изготовленных из одного и того же мате­ риала и имеющих одинаковые остаточные напряжения, последние окажут большее влияние на предел выносливости при изгибе (растяжении-сжатии) и меньшее — на предел выносливости при кручении.

Влияние остаточных напряжений на предел выносливости (при данном простом и сложном переменном напряженном состоянии) будет зависеть не только от величины и знака, но и от характера остаточных напряжений (линейные, двуосные или объемные).

Благоприятное проявление остаточных сжимающих напряже­ ний в прочности машиностроительных материалов и деталях ма­ шин стало основой технологических процессов, направленных на повышение несущей способности изделий при действии перемен­ ных нагрузок. Особенно значительное место занимает поверхност­ ное пластическое деформирование, получившее широкое распро­ странение как в нашей стране, так и за рубежом.

2. УПРОЧНЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ МАШИН ПОВЕРХНОСТНЫМ ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ (ППД)

Проблема повышения прочности и долговечности машин, как одна из проблем улучшения качества, особенно важна в связи с действием переменных нагрузок, вызывающих в металле уста­ лостные повреждения. Одним из важных средств решения этой задачи в машиностроении является обработка деталей поверх­ ностным пластическим деформированием (ППД). В результате на­ клепа поверхностные слои металла приобретают новые свойства. В них повышается твердость и другие характеристики прочности. Одновременно с наклепом в поверхностных слоях деталей возни­ кают внутренние (остаточные) сжимающие напряжения, которые достигают весьма высоких величин (400—700 МПа).

Поверхностные слои деталей машин являются особенно ответ­ ственными, так как в большинстве случаев очаги разрушения от многократного приложения нагрузок (разрушение от усталости) располагаются именно в этих поверхностных слоях. Таким об­ разом, упрочнение поверхностных слоев приводит к упрочнению всей детали в целом.

Применение пластического деформирования с целью повышения служебных свойств стальных деталей машин и сооружений, а также инструмента известно с давних пор. Применение наклепа поверхностных слоев деталей для повышения их сопротивления усталостным разрушениям впервые было предложено, по-види­ мому, Гербертом (Англия) в 1927 г. Этот процесс был назван «дождеванием» и состоял в обработке деталей шариками, падаю­ щими с определенной высоты на обрабатываемую деталь. Поверх­ ностное деформирование деталей обкаткой роликами применяли еще в 1929 г. Однако указанные технологические процессы не

находили сколько-нибудь широкого практического применения ни в СССР, ни за рубежом, что объяснялось недостаточной изу­ ченностью этих процессов и отсутствием обоснованных техноло­ гических рекомендаций.

В результате этих разработок были даны рекомендации промыш­ ленности, которые весьма успешно и широко используются.

Работами ЦНИИТМАШ, ЦНИИ МПС, МИИТ, ВНИТИ, ИМАШ, ГАЗ, ЗИЛ, Уралмашзавода, НКМЗ, СКМЗ и многими другими предприятиями и институтами созданы теоретические основы процесса, определены области его рационального приме­ нения, предложены технологические рекомендации для типовых случаев и установлена эффективность этих процессов для широкой номенклатуры деталей машин и сооружений. Практически неог­ раничен круг металлических материалов, которые приобретают благоприятные изменения в поверхностных слоях для сопротив­ ления усталости в результате холодного пластического деформи­ рования различных материалов (включая стали всех уровней

металлические сплавы в той или иной степени увеличивают свой удельный объем. Прецизионные измерения показали, что холод­ ное пластическое деформирование стали вызывает увеличение ее удельного объема, достигающее десятых долей процента (макси­ мально 1,1%). Поверхностный наклеп, вызывая местные объемные изменения в обрабатываемой ППД детали, вызывает одновременно и остаточные напряжения (сжимающие в наклепанных объемах). Главным фактором в ППД, обусловливающим повышение проч­ ности деталей при переменных нагрузках, является образование сжимающих остаточных напряжений в наклепанных зонах. Ве­ личины остаточных напряжений, возникающих при обработках ППД на конструкционных сталях, достигают десятков кило­ граммов на квадратный миллиметр, а глубина их распространения составляет не менее глубины пластически деформированного слоя. Одновременно с появлением остаточных напряжений в на­ клепанном металле повышается твердость. Систематизированное изучение упрочняемости сталей в зависимости от их состава и структурного состояния позволило установить важные особен­ ности каждого класса сталей с точки зрения их упрочнения и возможностей контроля наклепа по измерениям твердости. Осо­ бенно сильное повышение твердости обнаруживают стали с фер­ ритной, аустенитной и мартенситной структурой. Меньшее повы­ шение твердости (до 10— 15%) показывают стали с сорбитными и трооститными структурами. Многие титановые сплавы практи­ чески не повышают твердости в результате их холодного пласти­ ческого деформирования. Это, однако, не препятствует благопри­

ятному проявлению остаточных напряжений, вызываемых накле­ пом, для сопротивления усталости даже таких сплавов; которые не обнаруживают прироста твердости при наклепе.

Поверхностный наклеп эффективен прежде всего как сред­ ство повышения сопротивления усталости. В ряде случаев удается повысить и износостойкость деталей благодаря применению ППД.

В повышении износостойкости главная роль при ППД при­ надлежит повышению твердости. Сплавы, которые не показывают повышения твердости при ППД, не обнаруживают также и повы­ шения износостойкости. В результате исследований было пока­ зано, что остаточные напряжения, подобно напряжениям от внеш­ них силовых воздействий, способны концентрироваться вокруг отверстий и выкружек. Этим свойством остаточных напряжений объясняется их особенно большое влияние на сопротивление усталости деталей с концентраторами напряжений. Пределы выносливости таких деталей могут быть повышены за счет ППД в 1,5—2 раза. Во многих случаях применением ППД удается полностью нейтрализовать неблагоприятное в усталости деталей проявление концентраторов напряжений. Упрочнением ППД можно достичь большего эффекта, чем конструктивным измене­ нием формы деталей. Остаточные напряжения не релаксируют в стальных изделиях при выдержке их в течение длительного времени (десятки лет) при нормальных температурах. Снятие остаточных напряжений при циклическом нагружении упроч­ ненных ППД деталей происходит только при достижении опреде­ ленного уровня нагружения и, как правило, в меньшей степени в зонах концентраторов. Даже в эксплуатации изделий при сило­ вых режимах, вызывающих постепенную релаксацию остаточных напряжений, может быть достигнут существенный положитель­

В настоящее время не вызывает сомнения рациональность и практическая возможность применения ППД для повышения сопротивления усталости деталей практически любых размеров. При этом эффект упрочнения с ростом поперечных размеров деталей не только не снижается, но, как правило, повышается. Чем выше исходная прочность обрабатываемой стали, тем выше эффект от применения ППД (и в особенности для деталей с кон­ центраторами напряжений). Для деталей цилиндрической формы рациональная глубина наклепанного слоя лежит в диапазоне О,Old < а < 0,05d, где d — диаметр поперечного сечения детали; а — глубина наклепанного слоя.

Важные практические результаты были получены при теоре­ тическом и экспериментальном исследовании зоны деталей, где обрывался наклепанный слой. Было показано, что в отличие от аналогичных зон при поверхностной закалке наклеп не вызывает снижения сопротивления усталости в этих зонах. Это обстоятель­

ство позволило расширить области рационального применения поверхностного наклепа.

Значительные исследования по влиянию остаточных напря­ жений на сопротивление усталости были выполнены на крупных образцах. Исследования позволили установить эффективность наклепа не только для мелких, но и для весьма крупных деталей машин и сооружений. Для экспериментов в этой области были использованы уникальные испытательные машины (см. гл. I), позволившие разрушать образцы с поперечным сечением до 1200 см2. Указанные исследования позволили успешно приме­ нять поверхностный наклеп для деталей типа цилиндров диаме­ тром до 2,5 м, пластинчатых деталей толщиной в сотни миллиме­ тров и валов диаметром до 850 мм.

За последние годы интенсивное изучение методов и эффектив­ ности ППД позволило установить новые важные закономерности в этой области. Было установлено, что ППД применимо для весьма широкой номенклатуры деталей машин и частей сооружений, работающих в различных условиях и в том числе при низких климатических температурах, ударных циклических нагрузках, малоцикловых нагружениях и др.

Была показана возможность весьма значительного упрочне­ ния деталей из. твердых и особо твердых материалов (закаленные легированные стали, азотированные, цементированные и борированные поверхности, твердосплавный инструмент и др.). Для закаленных высокопрочных сталей поверхностное пластическое деформирование обкаткой роликом или дробеструйным методом особенно важно как средство выравнивания структурной неод­ нородности в поверхностных слоях. Разброс твердости обрабо­ танных ППД поверхностей закаленных стальных деталей суще­ ственно меньше, чем шлифованных.

В Краматорском индустриальном институте Г Л. Хаетом была установлена возможность и высокая эффективность обра­ боток ППД (обдувной дробью) токарных резцов, оснащенных твер­ дым сплавом (ВК8, ВК2, Т5К10, Т14К8, Т15К6). При обработке дробью твердого сплава микропластическая деформация прони­ кает на глубину до 0,2—0,3 мм. При этом в деформированном слое возникают значительные остаточные сжимающие напряжения.

Новый метод упрочнения резцов, оснащенных твердым спла­ вом, внедрен на Краматорском заводе тяжелого станкостроения им. Чубаря и на Славянском тяжелого машиностроения заводе «Славтяжмаш» и дает существенный экономический эффект (в ре­ зультате повышения подачи при черновом и получистовом точении стальных и чугунных деталей). Значительные работы были выпол­ нены по изучению кинетики усталостного разрушения деталей, об­ работанных ППД. При этом было установлено, что ППД вызывает не только замедление роста усталостных трещин, но при опреде­ ленных условиях приостанавливает их распространение при со­ храняющихся неизменными режимах циклического нагружения.