книги / Усталость крупных деталей машин

Для перлито-ферритного чугуна масштабный фактор проявился в такой же степени, что и для ферритного высокопрочного чугуна. С увеличением диаметра образца предел выносливости понизился на 23%.

Для серых чугунов масштабный фактор проявился более резко. Предел выносливости снизился на 62% при увеличении диаметра гладкого образца от 5 до 50 мм [34].

2. ВЛИЯНИЕ ОБКАТКИ РОЛИКАМИ, ДРОБЕСТРУЙНОГО НАКЛЕПА И ЗАКАЛКИ ТВЧ НА УСТАЛОСТЬ ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА

В ЦНИИТМАШе были испытаны высокопрочные чугуны с шаро­ видным графитом ферритный (плавка 1), перлито-ферритный (плавка 2) и перлитный (плавки 3, 4, 5).

Химический состав и механические свойства плавок 1—3 см. в п. 2 данной главы. Из плавок 4 и 5 отливали трефы сечением ле­ пестка диаметром 40 мм. Трефы заливали из одного ковша одно­ временно по 16—20 шт, отливки в виде трефы (плавки 4) подвер­ гали отпуску при температуре 550° С в течение 3 ч. Трефы плавки 5 подвергали отжигу при температуре 740° С в течение 4 ч.

Химический состав и механические свойства (по средним зна­ чениям) исследуемых чугунов приведены в табл. 87 и 88.

тель — от конца трефы.

Испытания на усталость проводили на образцах диаметром 5, 10, 50 мм (для плавок 1—3, см. рис. 81) и на образцах диаметром 20 мм (рис. 82), за исключением образцов под закалку, ТВЧ, ко­ торые имели форму, показанную на рис. 82. Такая форма образца обеспечивала получение равномерного закаленного слоя галтели и рабочей части.

Образцы испытывали на изгиб с вращением образца. База ис­ пытаний 10 млн. циклов. Для образцов 0 50 мм, упрочненных ППД обкаткой роликами, база была увеличена до 80 млн. циклов.

Испытывали образцы в шлифованном состоянии и поверхност­ но-упрочненном состоянии. В свою очередь каждая группа вклю­ чала образцы без концентраторов и с концентратором напряже­ ний, в качестве которого во всех случаях (для образцов 0 20 мм) служил круговой надрез глубиной h = 0,8 мм с радиусом дна над­ реза г = 0,3 мм.

На упрочненные образцы надрез наносили в средней рабочей части после обкатки роликами или обработки дробью. Для образ­ цов, поверхностно-закаленных ТВЧ, надрез наносили до закалки.

Влияние обкатки роликами на усталость высокопрочного чугуна. Образцы упрочняли обкаткой с помощью трехроликового приспособления. Усилие роликов на обкатываемый образец (до 20 кН) создавалось винтовой тарированной пружиной (табл. 89).

Рис. 82. Образцы из высокопрочного чугуна 0 20 мм для испытания на усталость;

а — гладкие; б — с надрезом

При подборе режима обкатки исходили из глубины наклепан­ ного слоя и шероховатости поверхности. Для этого пробные участ­ ки вала 0 50 мм подвергали обкатке при различных усилиях: 8,0; 12; 16 и 20,0. При этих усилиях поверхностного шелушения обна­ ружено не было, поверхность оставалась гладкой и блестящей аналогично стальным образцам.

Контроль качества поверхности на профилометре показал снижение (после обкатки при усилии 20 кН) максимальной вели­ чины неровностей R a = 2,5ч-0,63 мкм. Поверхностная твердость при глубине наклепанного слоя 4,5 мм возросла на 45%. Включе­ ния графита приобретают ориентированную вытянутую форму, что должно приводить к повышению прочностных свойств в определен­ ном направлении.

Изломы надрезанных образцов, как упрочненных, так и без упрочнения, происходили по выточкам. Очаг зарождения усталост­ ной трещины для гладких упрочненных образцов начинался под упрочненным слоем.

Значения пределов выносливости для образцов 0 20 мм из вы­ сокопрочного перлитного чугуна даны в табл. 90.

Для неупрочненных гладких образцов усталостное разруше­ ние начиналось с поверхности. Для упрочненных образцов 0 50 мм усталостное разрушение начиналось под слоем на глубине около 7 мм. Глубина наклепа, определенная методом измерения твердо­ сти, составляла для этих образцов около 5 мм. Расположение оча­ га разрушения ниже наклепанного слоя может быть объяснено тем, что перемена знака остаточных напряжений происходит на боль-

в поперечном сечении.

Значения пределов выносливости в зависимости от диаметра образцов гладких и с надрезами приведены в табл. 91 и 92.

Усталостное разрушение обкатанных образцов 0 50 мм про-

исходило во всех случаях вне выточек, по гладкому сечению об­

разца и начиналось под упрочненным слоем, Образцыдругих

диаметров (упрочненных и неупрочнениых) разрушались по вы­ точкам.

В отличие от чугуна с перлитной основой ферритный чугун обнаружил на гладких образцах большую упрочняемость от об­ катки и сравнительно малое влияние размеров образца на эффект упрочнения.

Влияние дробеструйного наклепа на усталость высокопрочного чугуна. В ЦНИИТМАШе влияние дробеструйного наклепа на усталость исследовали на высокопрочном чугуне (плавка 4). Было изготовлено четыре серии образцов 0 20 мм. Две серии образцов упрочняли перед испытанием дробью, а две испытывали в шлифо­ ванном виде. Упрочнение дробью выполняли после шлифования на дробеструйной установке ДУ-1. Твердость поверхности после дробеструйного наклепа увеличилась на 36%, т. е. была близка к значениям полученным при обкатке роликами. Измерение твер­ дости, проведенное на косом шлифе (по отпечатку пирамиды), по­ казало, что глубина наклепа при дробеструйной обработке состав­ ляет около 0,6 мм.

Результаты испытаний образцов, наклепанных дробью (табл. 93), показывают, что предел выносливости гладких образ­ цов высокопрочного чугуна с шаровидным графитом после дробе­ струйной обработки повышается на 15%. Примерно такая же величина упрочнения получается при наклепе дробью литой стали,

атакже среднепрочных кованых сталей.

Вобразцах с концентраторами напряжения надрез (глубиной

0,8 мм) выходил за зону наклепанного слоя (глубиной, равной 0,6 мм), тем не менее прочность этих образцов в результате дробе­ струйного наклепа повысилась на 50%. Это можно объяснить действием остаточных напряжений сжатия, которые концентри­ руются по дну надреза. Очаг усталостных разрушений для гладких упрочненных образцов был расположен под упрочненным слоем.

Т а б л и ц а 93

Результаты испытаний образцов 0 20 мм из высокопрочного чугуна

до дробеструйного наклепа (плавка 4) и после него

ний в этих зонах. Поверхностный наклеп ППД этих зон в стальных изделиях восстанавливает их прочность.

Необходимость такого комбинированного поверхностного упрочнения на практике может возникнуть для деталей сложной конфигурации, когда закалка нагревом ТВЧ затруднена или не может быть осуществлена по всей поверхности изделия.

Часть рабочей длины образцов подвергали закалке нагревом ТВЧ на ламповом генераторе мощностью 50 кВт. Способ закалки был непрерывно-последовательный. Твердость образцов после за­ калки HRC 47 Закаленный слой начинался на расстоянии 20— 24 мм от края головки образца. Глубина закаленного слоя состав­ ляла 2 мм. Упрочняли образцы обкаткой роликами при усилии 1 кН по режиму, аналогичному обкатке образцов, описанных выше.

Обкатке подвергали образцы в зоне обрыва закаленного слоя

игалтелей.

Результаты испытаний на усталость образцов диаметром 2 мм

споверхностной закалкой нагревом ТВЧ приведены в табл. 95. Обкатка поверхностно-закаленных образцов (с обрывом слоя у галтелей) увеличивает предел выносливости на 30% по сравнению

сшлифованными образцами и на 41% по сравнению с поверх­ ностно-закаленными (на некоторой длине) образцами.

Бывают случаи, когда при изготовлении отливок наблюдаются те или иные литейные пороки, например появление так называемых черных пятен. Эксперименты были проведены в ЦНИИТМАШе на высокопрочном перлитном чугуне с шаровидным графитом (3,24% С06 30% Si, 0,71% Мп, 0,12% Р, 0,005% S, 0,04% Сг, 2,68% графита).

Трефы подвергали нормализации при температуре 925° С (вы­ держка 4 ч).

Микроструктура плавки состоит из графита глобулярной фор­ мы, тонкопластинчатого перлита и феррита (не более 10 15%). В этой плавке имеются значительные неметаллические включения

и сгт понизились соответственно до 547 и 470 МПа.

Образцы этой плавки были разделены на две группы: гладкие и с надрезом. Каждую группу подразделяли на пять серий. Одну серию образцов каждой группы испытывали без упрочнения, а остальные серии образцов подвергали ППД обкаткой роликами при соответствующих давлениях.

Твердость до обкатки составляла НВ 2500 Н/мм2, а после об­ катки увеличилась до НВ 3100 Н/мм2, т. е. повысилась на 24%.

Результаты испытаний показали, что чувствительность к над­ резу образцов из чугуна равна нулю. Было отмечено даже не­ сколько меньшее значение предела выносливости для гладких об­ разцов по сравнению с надрезанными образцами. Это объясняется тем, что надрезанные образцы разрушались по заданному сечению

(в месте надреза), которое могло быть не самым слабым в смысле наличия в нем дефектов структуры. Гладкие же образцы разруша­ лись в сечениях, наиболее ослабленных включениями.

Данные табл. 96 показывают также сравнительно низкие зна­ чения пределов выносливости как для надрезанных, так и для гладких образцов.

Из табл. 96 можно видеть, что максимальное повышение пре­ дела выносливости как гладких, так и надрезанных образцов на­ блюдается при нагрузке на ролик около 1 кН, а при дальнейшем повышении нагрузки предел выносливости остается практически без изменения. Образцы, упрочненные обкаткой (Р — 1,0; 1,5; 2.0 кН), разрушались не по выточкам, а на гладкой цилиндриче­ ской части.

Это явление объясняется благоприятным действием остаточных сжимающих напряжений и ранее наблюдалось на стальных об­ разцах, подвергнутых поверхностной закалке, а также на стальном литье после поверхностного наклепа. Во всех случаях очаг за­ рождения усталостной трещины начинался под упрочненным слоем.

В некоторых образцах, особенно при обкатке (Р = 1,5ч- 2.0 кН), включения, расположенные ниже глубины обкатанного слоя, служили очагом усталостного разрушения (по-видимому, включения были в зоне растягивающих напряжений). Изломы надрезанных образцов, не упрочненных и упрочненных обкаткой роликами (Р = 5 кН), происходили по выточкам.

Проведенными экспериментами установлено значительное сни­ жение прочности отливок из высокопрочного чугуна с глобуляр­ ным графитом в результате загрязнения его неметаллическими включениями в виде черных пятен. Показано, что применение наклепа ППД и в этом случае является весьма полезным.

4. УСТАЛОСТЬ ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА

ВСВЯЗИ С ТЕРМООБРАБОТКОЙ

В зависимости от вида термообработки и химического состава в ЦНИИТМАШе были получены высокопрочные чугуны с шаро­ видным графитом, в которых ст„ изменялось в пределах 600— 1120 МПа, а твердость НВ 2070—3410 Н/мм2.

Исследования усталости проводили на образцах высокопроч­ ного чугуна с использованием двух видов термообработки: изотер­ мической закалки и двойной нормализации.

Проведены испытания на усталость (изгиб при вращении) об­ разцов диаметром 10, 20 и 45 мм, гладких и ступенчатых. При изготовлении образцов для получения их геометрического подобия отношения между рабочими диаметрами, диаметрами головок и радиусами галтелей были постоянными и равнялись 1,6, а отно­ шение радиуса галтели к рабочему диаметру образца составляло 0,045. База испытаний 10 млн. циклов.

Для исследования влияния масштабного фактора на прочность чугуна были отлиты в дуговой электропечи трефы с диаметром