книги / Некоторые вопросы усталостной прочности стали

в случае дробеструйной обработки и обкатки роликами опасная точка располагалась на поверхности.

В соответствии со сказанным (стр. 169), можно заключить, что при данных видах обработки остаточные напряжения играли, безусловно, положительную роль, и всякое уменьшение их вредно отражалось на выносливости образцов.

При испытании же поверхностно закаленных образцов опас­ ная точка располагалась под упрочненным слоем (об этом гово­ рят изломы). Уменьшение эффективности остаточных напряжений, по крайней мере некоторое (стр. 169), являлось полезным.

Отметим, кстати, что не только при поверхностной закалке, но и при цементации, если опасная точка тоже располагается под слоем, упрочнение может оказаться при кручении более значи­ тельным, чем при изгибе. В опытах [36] с хромоникелевой сталью цементация гладких образцов на глубину 0,2 лш вызвала повы­

тельный фактор, по крайней мере постольку, поскольку их интен­ сивность была больше, чем это необходимо для перевода опасной точки с поверхности под слой.

При циклическом кручении эффективность поверхностной обработки в случае образцов с кольцевой канавкой оказалась выше, чем в случае гладких образцов, хотя повышение это не столь резко, как наблюдаемое обычно при изгибе.

Возрастание эффективности поверхностной обработки при наличии кольцевой канавки связано с усилением полезной роли остаточных напряжений, объясняющимся в-первую очередь кон­ центрацией этих напряжений по дну канавки.

Значение усиления полезной роли остаточных напряжений при кручении много меньше, чем при изгибе, поскольку сама роль их при кручении меньше. В опытах 135) с высверливанием образцов указанная роль остаточных напряжений вообще оста­ лась невыявленной. В этих опытах кольцевая канавка наноси­ лась на цилиндрические усталостные образцы двумя способами — резцом и накаткой. Затем часть образцов из каждой группы высверливалась по оси с целью уменьшения остаточных напря­ жений. Возрастание' предела выносливости, связанное с накат­ кой, оказалось при кручении примерно одинаковым для сплош­ ных и полых образцов. В то же время при изгибе высверливание образцов снижало эффективность накатки в несколько раз.

Теоретический анализ, проведенный И. В. Кудрявцевым [15], показывает тем не менее, что при чистом сдвиге, какой имеет, в частности, место в точках поверхности дна канавки скручива­ емого образца, остаточные напряжения должны играть известную роль. И это подтверждается в наших экспериментах фактом за­ метного повышения предела выносливости образцов, обработан­ ных дробью, когда толщина упрочненного слоя практически не

182

лишний раз на то, что повышение эффективности поверхностной обработки в присутствии концентраторов напряжений связано именно с усилением полезной роли остаточных напряжений. В случае дробеструйной обработки толщина упрочненного слоя почти не превышала глубины канавки, тем не менее эффектив­ ность обработки в присутствии канавки оказалась в 7 раз больше, чем в ее отсутствии. В случае же обкатки частное от деления соответствующих показателей составляет только 2,2, хотя канавка прорезала упрочненный слой всего примерно на одну треть.

Для образцов с поперечным сверлением упрочняющая обра­ ботка внешней поверхности принесла меньшую пользу, чем для гладких. В данном случае при нагружении упрочненных образ­ цов опасная точка всегда располагалась внутри поперечного канала, около границы упрочненного слоя, в зоне действия растя­ гивающих остаточных напряжений.

При таких обстоятельствах степень упрочнения зависит пре­ имущественно от относительной толщины упрочненного слоя вблизи сверления.и от величины подслойного пика растягиваю­ щих остаточных напряжений. Чем толще слой и чем меньше пик напряжений, тем выше эффективность обработки.

Степень упрочнения оказалась значительной в случае закалки, при которой относительная толщина упрочненного слоя дости­

При малой относительной толщине упрочненного слоя и зна­ чительном подслойном пике растягивающих остаточных напря­ жений поверхностная обработка может оказать даже отрицатель­ ное влияние на выносливость изделий с поперечным сверлением. Так, в опытах [36] с хромоникелевой сталью цементация внеш­

упрочнять не только внешнюю поверхность изделия, но и поверх­ ность канала. В цитированных опытах цементация образцов с выполнением указанного требования (толщина слоя на пери­ ферии образца 0,2 мм, в канале 0,33 мм) увеличила предел выиог сливости на 150%. Подобным образом действует и азотирование. На образцах из стали ЭИ-275 С. В. Серенсеном и И. Е. Конторовичем [28] установлено, например, повышение предела выносли­ вости в результате применения этой обработки на 110%.

Что касается эффективности отдельных видов упрочняющей поверхностной обработки, то в рассматриваемых опытах, про­ веденных на нормализованной стали, поверхностная закалка дала весьма большой эффект (упрочнение гладких образцов составило при кручении 92%). Результаты применения механических мето­ дов упрочнения оказались значительно скромнее, особенно резуль­ таты применения дробеструйного наклепа.

184

Не представляет, однако, сомнений, что при применении предварительной термообработки в виде закалки с отпуском, в особенности с низким отпуском, эффективность механических методов упрочнения будет серьезно возрастать. На это указывают, например, эксперименты М. М. Саверина 126], которыми уста­ новлено (при циклическом изгибе) значительное изменение эффек­ тивности дробеструйной обработки в зависимости от предше­ ствовавшей термической обработки для образцов из стали 45Х (табл. 4).

Для поверхностной закалки, наоборот, следует ожидать сни­ жения эффективности при применении предварительной термо­ обработки, значительно увеличивающей прочность материала,

и отпуска при 350° составило 42%, увеличение же предела выносли­ вости улучшенных образцов после идентичной обработки не пре­ высило 8%. При тонких слоях закалка может дать даже отрица­ тельный эффект в случае исходной термической обработки мате­ риала на высокую прочность. Это связано с отпуском сердцевины вблизи границы слоя и образованием в данном месте пика растя­

185

Б. ГГУРЕВИЧ, С. И. СИНДЛЕР u Е. В. ТРУНИНА

Д Р О Б Е С Т Р У Й Н Ы Й Н А К Л Е П Ц Е М Е Н Т О В А Н Н Ы Х Ш Е С Т Е РЕ Н 1

При работе нагруженных зубчатых передач наиболее часто встречаются два основных вида разрушения зубьев:

а) поломка зубьев, являющаяся наиболее опасным видом разру­

нии различной формы углублений — «ямок» на рабочих поверх­ ностях зубьев.

Поломка зубьев нередко вызывается усталостью металла и происходит из-за недостаточной прочности зубьев при перемен­ ных изгибающих напряжениях. Поломка зубьев может проис­ ходить также в тех случаях, когда зубья, подвергаясь воздей­ ствию больших ударных нагрузок, имеют недостаточную удар­ ную прочность.

Основные пути устранения поломки зубьев шестерен сводятся к применению различных конструктивных и технологических методов, повышающих как их статическую прочность, так и проч­ ность при переменных напряжениях (увеличение модуля зацеп­

1 Работа проводилась заводом Министерства транспортного и тяжелого машиностроения совместно с ВНИИ этого же министерства. Режимы дро­ беструйного наклепа образцов и деталей разработаны и осуществлялись институтом.

187

случае углубления в дальнейшем либо не изменяются, либо постепенно заглаживаются.

2. Прогрессирующее выкрашивание, развивающееся по мере работы зубчатой передачи и приводящее к окончательной порче. поверхности зубьев за довольно короткий срок работы. Прогрес­ сирующее поверхностное разрушение зубьев вызывает искаже­ ние* профиля последних, что обусловливает появление дополни­ тельных ударных усилий в процессе работы передачи, в свою очередь способствующих большему разрушению поверхности зубьев. Выкрошившиеся частицы металла, попадая в смазку, ускоряют процесс износа трущихся поверхностей.

Работами ряда исследователей установлено, что выкрашива­ ние металла начинается в местах наибольших контактных напря­ жений и является следствием усталости поверхностного слоя металла.

Опыт работы ряда заводов показал, что даже при отсутствии прогрессирующего выкрашивания цементованные шестерни, на которых после первых часов приработки обнаруживается явле­ ние начального выкрашивания, как правило, заменяются новыми.

Попытки ликвидировать явление как начального, так и про­ грессирующего выкрашивания путем повышения твердости це­ ментованной поверхности зубьев до 60—62 единиц Роквелла за счет дополнительной обработки шестерен при отрицательных температурах (—100-г— 120°), а также внедрением гидрополирования, обеспечивающего получение более гладкой поверх­ ности зубьев по сравнению с пескоструйной поверхностью, положительных результатов не дали. Следует отметить, что кони­ ческие шестерни большей частью после цементации и термиче­ ской обработки подвергаются пескоструйной очистке и устана­ вливаются на передачи без дополнительной шлифовки зуба.

Исследованиями ряда авторов [1, 2, 3] установлено, что процесс поверхностного выкрашивания в значительной степени зависит от усталостной прочности и напряженности рабочей поверхности зубьев шестерен.

Цементация шестерен, широко применяемая в машиностро­ ении, значительно повышает их поверхностную твердость и сопротивление усталостным разрушениям. Однако, как показали исследования Гуревич и Юрьева [4], Мороза и Шуракова [5], в цементованном слое хромоникельвольфрамовой стали марки 18ХНВА, в силу его структурной неоднородности, могут воз­ никать внутренние растягивающие напряжения, которые сни­ жают эффективность поверхностного упрочнения.

Настоящая работа имела в виду выяснить возможность даль­ нейшего повышения усталостной прочности и сопротивления контактной усталости цементованных шестерен, изготовляемых из хромоникелевой и хромоникельвольфрамовой сталей марок 12ХНЗА и 18ХНВА, путем дополнительной обработки поверх­ ности зубьев дробеструйным наклепом.

188

Под действием дробеструйного наклепа в цементованном слое может произойти частичный распад имеющегося в нем остаточ­ ного аустенита, который сопровождается повышением твердости на некоторой глубине от поверхности и возникновением допол­ нительных сжимающих напряжений.

Появление более высоких напряжений сжатия в поверхностном слое цементованного зуба, по нашему мнению, помимо повыше­ ния общей усталостной прочности, должно было уменьшить вредное. действие растягивающих напряжений, ответственных за возникновение поверхностного выкрашивания, и тем самым ликвидировать это явление.

Вопросы применения комбинированного метода упрочнения поверхности деталей цементацией и дробеструйной обработкой мало исследованы и в технической литературе нашли недоста­ точное освещение.

В работе изучалось влияние дробеструйного наклепа на пре­ дел усталости цементованной стали марок 12ХНЗА и 18ХНВА; на чувствительность к надрезу цементованной стали марок 12ХНЗА и 18ХНВА и на характер явления ограниченного выкра­ шивания рабочей поверхности цементованных зубьев шестерен, изготовленных из стали 18ХНВА.

Методика и материал исследования

Изучение влияния комбинированного упрочнения цемента­ цией и дробеструйным наклепом на предел усталости стали марок 12ХНЗА и 18ХНВА производилось испытанием на усталость образцов диаметром 5,97 и 7,52 мм. Образцы готовились из прутков диаметром 20 мм, химический состав которых приведен в табл. 1.

Таблица I

Цементация усталостных образцов производилась в твердом карбюризаторе, содержащем от 10 до 12% углекислого бария. Температура цементации была принята равной 910—920°, а дли­ тельность выдержки при этой температуре определялась из рас­ чета получения цементованного слоя глубиною 0,5—0,6 мм. После цементации и медленного охлаждения в ящиках образцы

189

подвергались отпуску при температуре 630° в течение 3 часов и последующей окончательной термической обработке. Оконча­

изгиб вращающегося образца при симметричном цикле напря­ жений. Эскиз усталостного образца приведен на фиг. 1.

Твердость цементованного слоя по глубине, замеренная на специальных образцах (косых шлифах), проходивших цемента­ цию и последующую термическую обработку вместе с усталост­ ными образцами, приведена на фиг. 2 и 3. Микроструктура цементованного слоя приведена на фиг. 4.

190