книги / Усталость крупных деталей машин

Т а б л и ц а 27

Пределы выносливости стальных валов с неподвижно посаженными втулками

4. ПРИЧИНЫ ПОВЫШЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ УСТАЛОСТИ СТАЛИ В РЕЗУЛЬТАТЕ ПОВЕРХНОСТНОГО НАКЛЕПА В ЗОНАХ ЗАДЕЛКИ

Хорошо известен положительный эффект поверхностного наклепа на сопротивление усталости стальных деталей, и в частности

взонах контакта. Однако причины повышения сопротивления усталости контактирующих деталей в результате поверхностного наклепа объясняют по-разному. Специальные опыты, проведенные

вЦНИИТМАШ, показывают, что предел выносливости стальных деталей в зонах контакта повышается в результате наличия благо­ приятных остаточных сжимающих напряжений, вызываемых по­ верхностным наклепом.

Из стали 45 были изготовлены цилиндрические образцы (без головок) диаметром 17,5 мм и испытаны на усталость в условиях

ностью (неупрочненные): 2) поверхностно-упрочненные обкаткой роликом; 3) пластически деформированные при кручении на раз­ личные степени деформаций (гг = 70% и ех = 35%), где ех — условное относительное удлинение образца, определяемое по вели­ чине относительного сдвига уЩ) для больших пластических дефор­ маций по формуле

e i = [ ^ - ! + У 1 + ( ^ Л ) 2] 100%.

Формула получена расчетом удлинений в направлении дей­ ствия нормальных напряжений при кручении образца.

В результате пластического деформирования при кручении твердость образцов значительно возросла и соответствовала по­ верхностной твердости обкатанных образцов.

Помимо указанных образцов без головок были испытаны и обычные, так называемые гладкие образцы из той же стали с го­ ловками (с большим радиусом галтели). Эти образцы испытывали также в соответствующих трех разных состояниях (табл. 28).

Т а б л и ц а 28

Результаты испытаний на усталость гладких цилиндрических образцов из стали 45 0 12 мм с большим радиусом галтели

(ех = 35% )

Т а б л и ц а 29

Результаты испытаний на усталость образцов из стали 45, закрепленных одним концом

Из данных табл. 29 видно, что повышение предела выносли­ вости в результате наклепа гладких образцов составляет 18—20% и примерно одинаково как для образцов, получивших наклеп кручением, так и для образцов, получивших наклеп обкаткой роликом. Эти результаты испытаний указывают на то, что сопротив­ ление усталости гладких образцов после поверхностного наклепа повышается главным образом в результате изменения свойств поверхностного слоя, а не вследствие наличия остаточных напря­ жений.

Другие результаты были получены для образцов с охватываю­ щими втулками (табл. 29). Из рассмотрения результатов испыта­

ний можно видеть, что обкатка роликом привела к резкому увели­ чению сопротивления усталости образцов с охватывающими втул­ ками (предел выносливости повысился с 127 до 255 МПа, т. е. на

100%).

Предел выносливости образцов, наклепанных кручением, для обеих степеней деформации изменился весьма незначительно по сравнению с пределом выносливости ненаклепанных шлифован­ ных образцов.

Значительное повышение предела выносливости образцов, об­ катанных роликом, по сравнению с образцами, наклепанными кручением, можно объяснить только действием благоприятных сжимающих напряжений, которые возникают в поверхностных слоях обкатанных образцов.

Осевые остаточные напряжения в образцах, обкатанных роли­ ком и наклепанных кручением на различные степени деформаций (в! = 70% и ех = 35%), определяли методом послойного обта­ чивания.

Осевые сжимающие остаточные напряжения на поверхности обкатанных образцов достигали весьма высоких значений (около 550 МПа). На глубине около 1,7— 1,8 мм остаточные сжимающие напряжения переходят в растягивающие, равные 150 МПа. В образцах, наклепанных кручением на различные степени дефор­ маций (б! = 35% и ех = 70%), были получены только незначи­ тельные остаточные напряжения, величина которых колебалась в пределах возможных ошибок эксперимента.

Таким образом, можно утверждать, что основной причиной значительного повышения сопротивления усталости прочности поверхностно-наклепанных образцов в зонах заделок является проявление остаточных сжимающих напряжений. При этом роль наклепа (роль твердости и прочности поверхностного слоя) или незначительна, или совсем отсутствует.

В подтверждение сделанного вывода нами были проведены следующие дополнительные эксперименты. Из стали 45 были изготовлены для испытаний на усталость две группы цилиндри­

вую поверхностную твердость, но отличались тем, что в одной из групп образцов в поверхностных слоях были наведены остаточные сжимающие напряжения (нагревом образцов до 600 °С с последую­ щим охлаждением в воде), а другая группа образцов была сво­ бодна от остаточных напряжений. Результаты испытаний даны в табл. 30. Как показали измерения, в образцах после нагрева до 600 °С (охлаждение в воде) получены значительные (до 310 МПа) сжимающие напряжения.

5. ВЛИЯНИЕ ПРОКАТНОЙ ОКАЛИНЫ НА СОПРОТИВЛЕНИЕ УСТАЛОСТИ ГОРЯЧЕКАТАНОЙ СТАЛИ

Испытывали на усталость при изгибе валы круглого сечения диаметром 80 мм из стали 35 (0,35% С) и пластины толщиной 50 мм из стали СтЗ (0,18% С). Одна часть образцов имела черную поверхность, сохранившуюся после прокатки, т. е. поверхность горячекатаного металла с тонким слоем окалины и в некоторых случаях с легким коррозионным налетом. Другие образцы под­ вергали механической обработке для удаления поверхностного слоя (Ra = 25 мкм). Выполняли два вида испытаний: для опре­ деления сопротивления усталости при переменном изгибе (в одной плоскости) образцов без концентрации напряжений (гладких) и образцов с концентрацией напряжений, образуемой в зоне защем­ ления в захватах машины.

Для предохранения от излома в захватах гладкие образцы подвергали поверхностному наклепу в зонах контакта с захватами. Образцы второй группы испытывали без поверхностного наклепа.

Предварительные испытания на статическое растяжение пло­ ских образцов из мягкой стали СтЗ не показали разницы в величи­ нах временного сопротивления, предела текучести, относительного удлинения и сужения для образцов обеих групп (без удаления поверхностного слоя и с удалением слоя). Для более прочной стали (сталь 35) черная поверхность приводит к некоторому понижению значений характеристик прочностных и пластических свойств, определяемых при растяжении. Однако это понижение невелико.

Результаты испытаний на усталость (табл. 31) показывают совершенно различное влияние прокатной поверхности для глад­ ких образцов и образцов в зоне захватов. В первой группе образ­ цов влияние прокатной поверхности отрицательное, во второй положительное. В гладких образцах все изломы пластин произо­ шли в средней части; при наличии прокатной поверхности изломы начинались со стороны этой поверхности (одна сторона пластин была строганой).

80 мм из стали 35 с черной поверхностью при испытаниях в зоне

который препятствует электроэрозионному процессу разрушения поверхности валов, подвергавшихся переменным нагружениям.

Для пластин и валов, работающих в условиях контакта с со­ пряженными деталями, наличие черной поверхности приводит к заметному повышению сопротивления их усталости по сравнению с прочностью в тех же условиях механически обработанных поверхностей.

6.ВЛИЯНИЕ АБСОЛЮТНЫХ РАЗМЕРОВ

ИПОВЕРХНОСТНОЙ ЗАКАЛКИ НА СОПРОТИВЛЕНИЕ

УСТАЛОСТИ ВАЛОВ С ПРЕССОВЫМИ ПОСАДКАМИ

С конца 50-х годов в Японии (фирма Хиташи) проводят испытания на усталость крупных валов ( 0 до 100 мм). Для этого используют специальную машину с вращающимся образцом (800 об/мин), нагружаемым постоянным изгибающим моментом. Значительная часть экспериментальных работ, проведенных с использованием указанной установки, была посвящена изучению влияния размера на сопротивление усталости валов с прессовой посадкой, а также определению влияния поверхностной индукционной закалки на сопротивление усталости валов с прессовыми посадками [51 ].

Испытания проводили на образцах 0 10, 20 и 100 мм (рис. 28). Образцы малых диаметров изготовляли из круга 0 100 мм так, что их оси лежали на окружности 0 50 мм. Для испытания малых образцов ( 0 10—20 мм) использовали небольшие машины, осу­ ществляющие изгиб при частоте вращения 1500—2000 об/мин. Для валов применяли углеродистую сталь 40 (0,39% С), а для охватывающих втулок либо ту же сталь, либо сталь с 0,26% С. Как для малых, так и для больших образцов натяг при посадке втулок был 1,5 мкм, а контактное давление около 106 МПа. Ре­ зультаты испытаний на усталость образцов всех размеров приве-