книги / Некоторые вопросы усталостной прочности стали

Поэтому выводы о влиянии глубины и твердости слоя при наличии такого рода надреза на крупных моделях не могут быть использованы для оценки прочности деталей. Для выяснения влияния на повышение прочности детали наличия азотированного слоя необходимо располагать надежными экспериментальными данными по влиянию глубины слоя и его твердости на прочность при различных конструктивных формах, причем эти формы должны допускать теоретический расчет напряженного состояния по радиусу детали. Совокупность этих данных с данными по меха­ ническим характеристикам слоя (пределы выносливости при асимметричных циклах, остаточные напряжения, твердость, глу­ бина) может служить предпосылкой для анализа эффекта упроч­ нения.

Всвязи с поставленной задачей количественной оценки повы­ шения прочности от азотирования была предпринята настоящая работа.

Вкачестве объекта испытания были взяты модели с глу­ бокими канавками, расчет напряжений в которых может быть

ными градиентами. Одинаковые коэффициенты концентрации при изгибе и кручении позволяют сравнить эффективность концен­ трации, которая при кручении часто принимается ниже, чем при изгибе, и кроме того оценить повышение прочности от азотирова­ ния при изгибе и кручении в сравнимых условиях.

Изменение глубины слоя при различной концентрации напря­ жений и результаты испытаний на усталость должны дать ответ на вопрос о влиянии глубины и твердости слоя в связи с различ­ ным градиентом напряжений.

Конструктивные формы моделей и материал

Испытания на усталость были поставлены с плоскими моде­ лями при изгибе и с круглыми валами при кручении. Конструк­ тивные формы представлены на фиг. 1. В расчетной части стержня высота или диаметр равнялись 35 мм, наружный размер канавки составлял 50 мм. Величина радиуса дна канавки подбиралась таким образом, чтобы получить заданные коэффициенты концен­ трации при изгибе и кручении. Значения коэффициентов концен­ трации и радиусов кривизны канавок приведены в табл. 1. Как видим, величины коэффициентов концентрации при изгибе и кручении приблизительно равны.

Распределение напряжений вдоль радиуса опасного сечения подсчитывалось по результатам решений Нейбера И ] для случая изгиба и кручения. Поскольку форма выточки вне надреза мало влияет на распределение напряжений в опасном сечении, гипербо­ лическая форма надрезов была заменена более простой, состоящей

201

из части окружности у основания канавки радиуса р и касатель­ ных к ней, проведенных между точками соответствующих ветвей

гипербол.

В случае изгиба плоского стержня с двусторонней канавкой в сечении имеет место плоское напряженное состояние с состав

Фиг. I. Конструктивные формы моделей:

а — при изгибе; б — при кручении.

вляющими Oj (нормаль к площадке параллельна продольной оси) и о2 (нормаль к площадке параллельна высоте). При кручении круглого вала с канавкой возникают касательные напряжения. Распределение напряжений по высоте поперечного сечения пло­ ского образца с глубокой выточкой при изгибе представлен на фиг. 2, а круглого вала при кручении — на фиг. 3.

202

Фиг. 4. Кривые твердости по глубине азотированного слоя для различных режимов:

Р=1>8: 7 час-: 2—р-1,В; 18 час.: 3—р—1.8; 50 час.: 4 — р=4,4: 20 час.

204

Термическая обработка проводилась в заготовках, азотирова­ ние — после окончательной механической обработки. Качество поверхности канавок после шлифования соответствовало 9-му клас­ су. Предварительная (до азотирования) термообработка состояла из закалки с 850° С в масло и отпуска при 600° С в течение 3 часов, охлаждение на воздухе. Механические свойства термообработан­ ной стали были:

ав = 104,5 кг1мм2', от = 96,8 кг/мм2;

= 62%; &= 18,2°/0; ак= 17,1 кгм1см2.

Азотирование проводилось при температуре 520° С для полу­ чения слоев 0,2; 0,4 и 0,6 лш; длительность выдержки состав­ ляла соответственно 7; 20 и 50 часов. После азотирования механи­ ческая обработка не проводилась.

Кривые твердости по глубине азотированного слоя для раз­ личных режимов представлены на фиг. 4.

Методика эксперимента

Испытания на усталость проводились при симметричном цикле изгиба и кручения на базе 10 млн. циклов.

Схема резрнансной машины для испытаний на плоский изгиб представлена на фиг. 5. Плоская модель 5 зажимается в захва­

тах 4, которые при помощи клиньев скрепляются с торзионным динамометром 12 и валом машины с поперечной траверзой и грузами 11.

Поперечная траверза с грузами обладает значительным момен­ том инерции в колеблющейся системе. Упругими элементами в системе являются образец 5 и торзионный динамометр 12, жесткости которых в сочетании дают суммарную жесткость системы. Торзионный динамометр крепится к кронштейну 2,

205

который жестко связан с фундаментом 1. На валу машины поме­ щен ненаправленный вибратор 6, ось которого отстоит от оси машины на некотором расстоянии. При вращении вибратора инерционная сила, действуя с плечом относительно оси машины, создает переменный момент на валу. С приближением частоты возбуждающей силы к собственной частоте системы возникают резонансные колебания. Меняя обороты вибратора, можно полу­ чать различные моменты, действующие на образец. Вибратор приводится мотором постоянного тока 8 через гибкий валик 7. Для отсчета числа циклов служит счетчик 9. Действующий момент

Фиг. 6. Схема резонансной машины для испытаний на переменное кручение.

в сечении образца измеряется по углу отклонения торзионного динамометра 12, который тарируется статически. Фундамент машины помещается на упругих подкладках для виброизоляции.

Схема резонансной машины для испытания на кручение пред­ ставлена на фиг. 6. По своему принципу работы и конструктив­ ному оформлению эта машина похожа на машину плоского изгиба. Отличается машина кручения от машины плоского изгиба формой образца и отсутствием торзионного динамометра. В данном слу­ чае сам образец служит динамометром; по углу отклонения образца, измеряемого на световой шкале, устанавливается соот­ ветствующий момент.

По результатам испытаний строились кривые усталости в полу­ логарифмических координатах.

Результаты испытаний

Значения пределов выносливости при изгибе и кручении представлены в табл. 2 и 3.

Из данных, приведенных в табл. 2 и 3, следует, что эффектив­ ные коэффициенты концентрации kQдля моделей из улучшенного металла при изгибе на 20—30% меньше, чем коэффиценты концен­

206

наблюдается. Обычно сравнивают изгиб с кручением по резуль­ татам испытаний валов, имеющих одинаковые геометрические очертания, и если при этом не имеется данных по распределению напряжений, то эффективные коэффициенты концентрации kx получаются меньше, чем k a. Более правильно сопоставлять данные испытаний при. одинаковых значениях коэффициентов

207

больше градиент напряжений по сечению, тем сильнее должен отличаться эффективный коэффициент концентрации от упругого,

т.е. тем меньше должна быть чувствительность к концентрации.

Вцелях проверки этого положения нами были вычислены градиенты напряжений по радиусу da/dy при изгибе и кручении.

личину эффективных коэффициентов концентрации. Как пока­ зывает фиг. 8, величина градиента напряжений при кручении больше, чем при изгибе для одинаковых упругих коэффициентов концентрации приблизительно в два раза.

Однако, если для изгиба с ростом градиента наблюдается уменьшение чувствительности к концентрации, то при кручении эффективные коэффициенты концентрации практически пропор­ циональны градиенту. Таким образом, выводы о влиянии градиента на чувствительность к концентрации справедливы не для вся­

как соотношение упругих коэффициентов концентрации обратное. Из данных табл. 2 и 3 можно также сделать заключение о влиянии толщины слоя на предел выносливости. Как показы­

вают результаты испытаний, изменение глубины слоя от 0,2 до 0,6 мм мало сказывается на величине предела выносливости при наличии концентрации напряжений. Если сравнить при этом время азотирования, то можно заметить, что для получения слоя в 0,2 мм требуется в 7 раз меньшая выдержка, чем для слоя

в 0,6 мм. Из этих данных следует вывод о том, что разрушение азотированных моделей при наличии концентрации напряжений происходит, видимо, с поверхности.

Для оценки влияния азотирования на долговечность были сопоставлены левые ветви 'кривых усталости. Кривые ^усталости

Чаш циклов----- —

Фиг. 9. Кривые усталости в относительных координатах

плоских моделей с глубокой канавкой при изгибе,

ао= 3:

I — улучшенные; 2 — азотированные, 7 час.; 3 — азотированные, 20 час.; 4 — азотированные, 50 час.

удобно сопоставить между собой, выразив их ординаты в долях предела выносливости. На фиг. 9 представлены такие кривые для плоских моделей с концентрацией напряжений а„ = 2 ,9 1 . Как показывают графики, для азотированных моделей долго­ вечность меньше, чем. для улучшенных, т. е. деталь азотиро­ ванная более чувствительна к перенапряжениям. Этот вывод был сделан также в работах проф. С. В. Серенсена по по­ верхностному упрочнению [41,

210