книги / Некоторые вопросы усталостной прочности стали

Подытоживая сказанное, отметим, что при отсутствии спе­ циальной обработки выносливость металла в поверхностной зоне детали является пониженной. Этому способствуют по крайней мере четыре причины:

1) особый краевой эффект в явлении усталости металлов;

2)физико-химическое взаимодействие металла с окружающей средой в процессе циклического нагружения;

3)ухудшение механических свойств металла при изготовле­ нии детали:

4)наличие мелких неровностей поверхности технологического

иэксплуатационного происхождения.

Степень проявления той или иной причины меняется в зави­ симости от условий. Иногда, например, механические свойства поверхностного слоя при изготовлении детали не ухудшаются, а улучшаются; тогда ослаблениость слоя будет, естественно, менее резкой. Следует также заметить, что все причины действуют не сепаратно, а во взаимосвязи. Так, например, в результате коррозии в металле создаются изъяны, создающие концентрацию напряжений, а концентрация напряжений в свою очередь интен­ сифицирует коррозионный процесс.

Остаточные напряжения и их влияние на несущую способность деталей машин

Многообразные воздействия, которым подвергаются детали машин в процессе изготовления, как правило, приводят к появ­ лению в деталях так называемых остаточных (собственных, вну­ тренних) напряжений.

Характерной особенностью подобных напряжений является сбалансированность их эпюры в любом сечении детали. Если в одной какой-либо части сечения присутствуют растягивающие напряжения, то в другой его части обязательно действуют сжи­ мающие. При этом интегральное растягивающее внутреннее усилие равно интегральному сжимающему усилию в том же сечении.

Опыты показывают, что остаточные напряжения могут суще­ ственно влиять на величину предельного напряжения от нагрузки, которое может выдержать материал. Укажем, например, на те эксперименты И. В. Кудрявцева [15], в которых образцы из мяг­ кой стали подвергались нагреву ниже нижней критической точки

ипоследующему быстрому охлаждению в воде или с печью. Быстрое охлаждение создавало в образцах значительные

остаточные напряжения (сжимающие в поверхностном слое) и несколько увеличивало предел прочности материала. Предел выносливости надрезанных образцов, охлажденных быстро, на 85% превысил предел выносливости таких же образцов, охла­ жденных медленно. Этот факт становится весьма показательным, если учесть, что для образцов, охлажденных быстро, но освобо-

жденных затем от остаточных напряжений путем обточки, соот­ ветствующее превышение составило только 26%. Весьма большое различие сравниваемых величин, конечно, не может объясняться имевшим место ничтожным расхождением химических составов материала образцов и является в основном результатом действия остаточных напряжений.

Растягивающие остаточные напряжения в поверхностном слое дают обратный эффект: они уменьшают предел выносливости деталей. Вместе с тем, остаточные напряжения этого рода весьма часто возникают при сварке, термической обработке, шлифовании, обработке резанием и других технологических опе­ рациях.

Влияние остаточных напряжений на выносливость стали теоре­ тически проанализировано И. В. Кудрявцевым [15]. Автор анализа, опираясь на предложенную им новую гипотезу цикли­ ческой прочности, показал, в каком направлении и в какой мере остаточные напряжения изменяют выносливость стали при раз­ личных видах циклического напряженного состояния.

Воспользовавшись формулами И. В. Кудрявцева (изменив несколько их трактовку), отметим, что предельное напряжение для произвольной точки ’скручиваемого или изгибаемого цикли­ ческими моментами стального цилиндра (имеется в виду симме­ тричный цикл деформации) изменится в связи с появлением в дай­ ной точке осевого и тангенциального остаточных напряжений в \ раз, причем в случае кручения

Здесь 1)0 — коэффициент, учитывающий свойства материала (отрицательных значений не принимает);

mi и т2 — коэффициенты, пропорциональные осевому и тангенциальному остаточным напряжениям; каждый из этих коэффициентов положителен, если соответствующее ему напряжение является растягивающим, и отрицателен, если напряже­ ние является сжимающим.

Из приведенных формул, помимо того обстоятельства, что сжимающие остаточные напряжения являются полезными, а растягивающие — вредными, с большой наглядностью вытекает, что положительная или отрицательная роль остаточных напря­ жений при кручении меньше, чем при изгибе (корень в знамена­ теле правой части при кручении больше).

162

Изменения состояния детали в результате поверхностного наклепа и поверхностной закалки

При использовании механической упрочняющей обработки, к которой относятся в частности дробеструйный процесс и об­ катка роликами, поверхностный слой металла подвергается пла­ стическому деформированию или, как говорят, наклепу.

Материал приобретает в периферийной зоне повышенную твердость, постепенно уменьшающуюся по мере удаления от поверхности в глубь детали.

Влияние наклепа на выносливость металлов изучалось мно­ гими исследователями. Результаты работ достаточно хорошо согласуются между собой и свидетельствуют о значительном благоприятном эффекте.

И. А. Одинг и А. И. Ефремов [211, предпринявшие широкое исследование вопроса, установили, что выносливость углероди­ стой стали (изучались три марки) возрастает вместе с повышением степени деформации. Предел выносливости образцов после пла­ стического деформирования их в статической машине увеличи­ вался иногда больше чем на 30%.

Работы С. И. Ратиер [22] обращают внимание иа то, что наклеп может быть особенно эффективным в интересующем нас направлении для метастабильных сплавов. Согласно теории и опытам С. Т. Кишкина [10,11], пластическое деформирование та­ ких сплавов вызывает распад твердых растворов и выделение мелко­ дисперсных частиц новой фазы, затрудняющих сдвигообразование.

Не представляет сомнений, что поверхностный наклеп повы­ шает выносливость периферийного слоя металла, что объясняется, повидимому, главным образом, увеличением сопротивления цик­ лической пластической деформации.

Вместе с тем наклеп изменяет и остаточную напряженность детали.

Увеличение удельного объема металла [4], которым сопро­ вождается пластическая деформация, неизбежно приводит при местном ее характере к возникновению в детали остаточных напряжений. При поверхностной деформации появляются напря­ жения, которые в поверхностной зоне оказываются сжимающими, а в сердцевине — растягивающими [15].

Смена знака остаточных напряжений происходит обычно несколько глубже границы слоя, определяемой по твердости материала.

Улучшение микрогеометрии поверхности, которое наблюдается при обкатке роликами, уменьшает, величину истинных напряже­ ний от нагрузки. Не исключен подобный эффект и при дробеструй­ ной обработке, хотя в этом случае дело осложняется наличием рельефа от ударов дробинок.

При упрочнении детали высокочастотной закалкой наблю­ дается, как и при наклепе, повышение твердости металла

в поверхностном слое. При этом, однако, на значительном рас­ стоянии от поверхности твердость остается почти одинаково высокой и резко меняется лишь в переходной зоне. Глубже пере­ ходной зоны имеют иногда место провалы твердости, связанные с отпуском исходного материала.

•Получающийся в поверхностном слое «бесструктурный» или мелкоигольчатый мартенсит обладает значительно большей выно­ сливостью, чем структуры, соответствующие исходному состоянию. В опытах И. Н. Кидина 19], например, образцы из стали 40Х имели предел выносливости после улучшения 24 кг/лша, а после сквозной электрозакалки — 70 кг/лша.

Работы И. Е. Конторовича и Л. С. Лившица [13] и других исследователей показывают, что в поверхностно закаленных дета­ лях присутствуют значительные остаточные напряжения, кото­ рые на периферии в большинстве случаев являются сжимающими. Возникновение напряжений связано здесь с тепловыми дефор­ мациями, а также с фазовыми превращениями. Закаленная и низкоотпущенная сталь обладает большим удельным объемом, чем нормализованная или улучшенная. Остаточные напряжения переходят из сжимающих в растягивающие обычно еще в самом слое, а под слоем часто образуется максимум растягивающих напряжений.

Говоря о последствиях поверхностной закалки, следует отме­ тить еще и то, что она изменяет в некоторой мере распределение напряжений от нагрузки. Как указывает Я. Б. Фридман [29], закалка стали уменьшает процентов на десять модуль ее упру­ гости .

Если полагать, что при деформировании поверхностно закаленной детали ее поперечные сечения остаются плоскими, а это вероятно во многих случаях, то нетрудно придти к выводу, что в закаленном слое напряжения окажутся меньше, чем «сле­ довало бы», а в сердцевине — больше.

Опасная точка детали. Принцип упрочняющего действия поверхностной обработки

Несущая способность детали характеризуется, как известно, нагрузкой или номинальным напряжением, соответствующим предельному состоянию детали. Если речь идет о несущей способ­ ности по сопротивлению разрушению, в частности, усталостному разрушению, то можно полагать, что предельное состояние детали в целом наступает тогда, когда подобное состояние дости­ гается хотя бы в одной какой-нибудь точке детали; иначе говоря, тогда, когда хоть в одной точке детали напряжение от нагрузки достигает предельного значения.

Точка тела, в которой напряжение от нагрузки достигает предельного значения при наименьшей величине нагрузки, назы* вается опасной точкой. Именно в опасной точке начнется прежде

164

всего усталостное разрушение, если деталь окажется несколько перегруженной.

Совершенно понятно, что на несущую способность детали решающее влияние оказывают условия, которые имеют место в опасной точке. При необходимости проанализировать влияние тех или иных факторов на грузоподъемность детали следует

ствуют вредные растягивающие остаточные напряжения. Есте­ ственно, что при циклическом нагружении неупрочненных дета­ лей опасная точка располагается обычно на их поверхности (случай контактных напряжений не рассматривается).

Упрочняющая обработка увеличивает выносливость металла о поверхностном слое, создает там сжимающие остаточные напря­ жения, т. е. изменяет благоприятным образом условия в области расположения опасной точки. Поэтому она и дает положительный эффект.

Расположение опасной точки при циклическом нагружении поверхностно упрочненных деталей

Упрочняющая обработка в ряде случаев не меняет расположе­ ния опасной точки, которая попрежнему остается на поверхности. Иногда же обработка так упрочняет периферийный слой металла и изменяет остаточные напряжения, что опасная точка переме­ щается внутрь детали, преимущественно под упрочненный слой.

В настоящее время при испытании образцов или деталей на выносливость не всегда уделяется внимание расположению опас­ ной точки. Между тем этот вопрос имеет важнейшее значение, так как при перемещении опасной точки меняются и условия

вней, от которых зависит несущая способность детали.

Орасположении опасной точки можно судить по местонахож­

дению очага разрушения на поверхности усталостного излома образца или детали, сломавшихся при минимальной перегрузке. Нужно иметь в виду, что при увеличении перегрузки положение очага разрушения иногда меняется.

Если усталостный излом ориентируется в плоскости действия наибольших нормальных напряжений, что является почти непре­ менным при изгибе и растяжении-сжатии, а также часто слу­ чается при кручении, то на поверхности излома можно заметить борозды, распространяющиеся в стороны от некоторой точки, которая и является очагом разрушения. Характерно, что ука­ занные борозды в процессе расширения зоны усталостного разру­ шения, связанного с нарастанием числа циклов нагрузки, формируются так, что примыкают к линии фронта усталостной

16.1

металла здесь тоже сопровождается образованием светлого пятна, только случаи внутреннего расположения опасной точки для деталей из кованой стали промышленного производства являются очевидно, редкими.

Автором данной статьи в течение ряда лет подвергаются осмотру изломы усталостных образцов, испытывающихся в отделе прочности ЦНИИТМАШ. Результаты этой работы, а также анализ литературных материалов позволяют придти к следующим пред­ варительным выводам в отношении расположения опасной точки при циклическом изгибе поверхностно наклепанных и поверх­ ностно закаленных валов кованой стали в некоррозиониой среде.

1. Гладкий вал. В случае наклепа опасная точка, как правило, располагается на поверхности вала.

В случае закалки характерно расположение опасной точки внутри вала вблизи границы упрочненного слоя. Переход опас­ ной точки на поверхность наблюдается лишь при довольно толстых слоях. Так, необходимая для перехода толщина слоя превышает для легированных улучшенных сталей 20—30% радиуса вала, для стали 45 нормализованной — 50—70%. «Кри­ тическая» толщина слоя в общем тем больше, чем больше твер­ дость слоя по отношению к твердости сердцевины в пограничной зоне.

2. Вал с круговой канавкой. В случае наклепа опасная точка располагается на поверхности дна канавки.

В случае закалки характерно расположение опасной точки на некотором удалении от ослабленного канавкой сечения, в части вала, свободной от концентрации напряжений, и при таких условиях непременно под упрочненным слоем. Перемеще­ ние опасной точки на поверхность (дна канавки) происходит при толщинах слоя (в неослабленном сечении) не намного меньших, чем в случае гладкого вала.

3.Вал с цилиндрическим поперечным каналом. Поверхность канала не упрочнена. Независимо от вида обработки характерно расположение опасной точки на поверхности канала вблизи гра­ ницы упрочненного слоя. Перемещение опасной точки на кромки канала возможно при весьма больших толщинах слоя.

4.Вал с напрессованной втулкой. Независимо от вида обра­ ботки и толщины слоя опасная точка располагается на поверх­ ности вала под втулкой.

При наличии коррозионной среды опасная точка независимо от вида обработки и формы вала располагается на поверхности (по крайней мере при продолжительности действия нагрузки, превышающей 5 млн. циклов).

Следует отметить, что использование здесь понятия об опас­ ной точке приобретает известную условность, поскольку в дан­ ной обстановке говорить о предельном напряжении для какойлибо точки поверхности можно лишь условно, оговаривая число циклов.

167

Влияние некоторых факторов на эффективность обработки в связи с расположением опасной точки

Подробное рассмотрение вопроса об опасной точке необходимо потому, что учет ее местонахождения является важнейшим усло­ вием правильного установления влияния характеристик слоя и сердцевины, а также остаточных напряжений на эффективность обработки и на абсолютную величину предела выносливости детали.

Возьмем, например, поверхностно закаленный вал. Пусть опасная точка располагается на поверхности; тогда несущая способность вала определяется выносливостью металла и остаточ­ ными напряжениями в поверхностном фильме упрочненного слоя. Увеличение общей толщины слоя не может в таком случае принести пользы. Повышение прочности сердцевины вообще не даст эффекта при условии сохранения расположения опасной точки на поверхности. Увеличение же выносливости металла и сжимающих остаточных напряжений в поверхностном фильме явится полезным. Нарастание этих изменений до тех пор будет отражаться на прочности вала, пока опасная точка не переме­ стится внутрь детали.

Предположим теперь, что опасная точка располагается в серд­ цевине вала непосредственно под закаленным слоем. Несущую способность вала определяют выносливость металла и остаточ­ ные напряжения, соответствующие именно этому месту. Следо­ вательно, будет полезно увеличение прочности сердцевины и уменьшение остаточных напряжений, которые подслоем являются, как отмечалось, растягивающими. При наличии градиента напря­ жений от нагрузки будет благоприятно влиять увеличение толщины закаленного слоя, ибо с этим связано перемещение опасной точки в область действия меньших напряжений. Сказанное в отношении роли прочности сердцевины, остаточных напряжений и толщины слоя справедливо, конечно, только пока соответствующие изме­ нения еще недостаточны для перевода опасной точки на поверх­ ность. Увеличение выносливости поверхностного фильма и сжи­ мающих напряжений в нем не будет отражаться на несущей способности вала.

Как видим, одни и те же факторы могут по-разному влиять на циклическую прочность вала в зависимости от того, где нахо­ дится опасная точка. Технология упрочнения, приемлемая для одной детали, может оказаться нерациональной для другой уже потому, что опасная точка второй детали имеет иное местонахо­ ждение. Идентичность расположения опасной точки является едва ли не главным условием сравнимости. Это важно иметь в виду, в частности, при отработке технологии упрочнения не на самом изделии, а на усталостных образцах.

Рассмотрим подробнее вопрос о роли остаточных напряжений при упрочнении деталей поверхностной электрозакалкой. Решая

164

этот вопрос с учетом расположения опасной точки, можно наме­ тить следующие три случая:

1.Опасная точка располагается на поверхности детали. Остаточные напряжения (сжимающие) являются безусловно поло­ жительным фактором. Желательно их полное сохранение.

2.Опасная точка располагается под слоем, что обеспечивается при участии остаточных напряжений. Остаточные напряжения являются отрицательным фактором, но лишь постольку, поскольку их величина превышает величину, необходимую для перевода опасной точки с поверхности под слой. Желательно уменьшение остаточных напряжений до упомянутой величины при сохранении характера их распределения, или изменение рас­ пределения в направлении уменьшения пика растягивающих напряжений под слоем.'

3.Опасная точка располагается под слоем, что обеспечивается уже самой повышенной выносливостью упрочненного слоя, без­ относительно к остаточным напряжениям. Остаточные напряже­ ния являются безусловно отрицательным фактором. Желательно их полное устранение.

Наиболее распространенным следует признать второй случай. Первый случай характерен для деталей с весьма толстыми упроч­ ненными слоями или очень прочной сердцевиной. Третий случай, наоборот, вероятен для деталей с весьма тонкими слоями и мяг­ кой сердцевиной.

Всвязи с отрицательной ролью остаточных напряжений, отмечаемой во втором и третьем случаях, на выносливость поверх­ ностно закаленных деталей могут оказывать благоприятное влия­ ние средний отпуск и предварительный подогрев [14, 16, 17].

При упрочнении стальных деталей наклепом опасная точка в большинстве случаев, независимо от толщины упрочненного слоя, располагается на поверхности. Из этого следует, что важ­ ными факторами, с точки зрения несущей способности детали, являются выносливость и остаточная напряженность поверх­ ностного фильма. Толщина же наклепанного слоя для такой, например, детали, как гладкий вал, не имеет существенного значения.

Нельзя, конечно, полагать, что толщину слоя можно умень­ шать совершенно произвольно. Металлическая среда предста­ вляет собой среду непрерывно дискретную. Уже по этой причине на разрушающее напряжение для некоторого элемента объема не будет оказывать влияния напряженность соседних объемов лишь при условии, что рассматриваемому элементу будет при­ писана вполне ощутимая протяженность (тем, очевидно, большая, чем неоднороднее строение металла). Следовательно, чтобы дей­ ствие наклепа проявилось в полной мере, необходима некоторая определенная для данного материала минимальная толщина интенсивно наклепанного слоя. Однако для кованых сталей рна не превышает, повидимому, нескольких десятых миллиметра.

169

Если на валу имеется посаженная с натягом втулка, то с точки зрения циклической прочности вала распространение зоны интен­ сивного наклепа при обкатке или даже мартенситной зоны при закалке за пределы поверхностного слоя также не предста­ вляется необходимым. Можно предположить лишь, что в связи с контактной коррозией поверхностному слою следует припи­ сывать в данном случае несколько большую минимальную тол­ щину, чем в случае гладкого наклепанного вала. При наличии же на валу кольцевых канавок глубина наклепа может иметь существенное значение, так как вместе с ее увеличением растет толщина слоя, в котором действуют сжимающие остаточные напряжения, а это, в свою очередь, может благоприятно отра­ жаться на концентрации этих напряжений вблизи дна канавки.

Глубина наклепа внешней поверхности играет важную роль при упрочнении вала с поперечным каналом, если стенки канала остаются необработанными или упрочняются менее эффективно, чем внешняя поверхность. Поскольку опасная точка распола­ гается при этом под слоем, увеличение толщины последнего перемещает ее в область меньших напряжений от нагрузки.

В присутствии коррозионной среды можно предполагать зна­ чительную роль толщины упрочненного слоя во всех разбирав­ шихся случаях при обоих видах обработки, несмотря на то, что опасная точка неизменно располагается на поверхности вала (за исключением, конечно, случая вала с неупрочненным попереч­ ным каналом). Сопротивляемость деталей в указанных условиях может существенно зависеть от того, насколько быстро корро­ зионно-усталостные трещины проходят упрочненный слой, точнее слой, в котором действуют сжимающие остаточные напряжения.

Подготовка экспериментов

Для разрешения указанных во введении задач проведены испытания на выносливость при кручении и при изгибе образцов, упрочненных обкаткой роликами, дробеструйной обработкой и поверхностной закалкой [20].

Материалом послужила весьма употребительная в машино­ строении углеродистая сталь марки 45 в нормализованном со­ стоянии.

Программа усталостных экспериментов предусматривала испы­ тание 25 серий образцов. 19 серий испытывались при кручении и 6 серий при изгибе.

Образцы, испытанные на кручение, по типу концентратора напряжений могут быть разбиты на пять групп: 1) гладкие, 2) с кольцевой канавкой, 3) с косой канавкой, 4) с поперечным сверлением, 5) с галтелью малого радиуса.

В каждой группе изготовлялось четыре серии образцов, причем

170