книги / Некоторые вопросы усталостной прочности стали

Таблица /

которой признается многими исследователями [30 и др]. На этом графике приведены значения предела усталости стали для различ­ ных значений предела прочности. Правильно закаленный и подверг­

калке не является необходимым, так как глубина индукционной закалки на практике редко превышает несколько миллиметров.

В настоящее время следует считать установленным, что по­ лучение высоких показателей усталостной прочности при индукционной закалке объясняется мелкозернистой структурой и

приобретать структуру скрытно кристаллического или весьма мелкоигольчатого мартенсита и твердость Нцс = 59—61. При этом закаленный слой должен находиться под воздействием оста­

42

точных сжимающих напряжений, достигающих на поверхности величины 50—60 кг/мм2, повышающих усталостную прочность и снижающих чувствительность к надрезам и другим поверхност­ ным дефектам. Закаленный слой должен быть равномерным по всему контуру детали и не прерываться в местах, подверженных значительным рабочим напряжениям. При наличии различного рода конструктивных концентраторов напряжений—галтелей, переходов, выточек и т. п., следует особое внимание обращать на конфигурацию слоя в этих местах.

Рассмотрим влияние различных факторов на усталостную прочность стали, подвергнутой индукционной закалке.

Усталостная прочность в значительной степени зависит от пра­ вильного выбора параметров закаленного слоя. Основными пара­ метрами слоя являются его общая глубина и глубина зоны полной закалки.

По мере увеличения глубины слоя усталостная прочность повы­ шается лишь до достижения некоторой оптимальной глубины слоя, после чего наблюдается снижение усталостной прочности. Иссле­ дование влияния на усталостиую прочность глубины слоя при изменении последней в широком диапазоне вплоть до сквозной закалки было произведено нами. По полученным данным для стали 40ХНМА и образцов диаметром 7,52 мм оптимальное отно­

рым причины получения наивысшей усталостной прочности при значении параметра р, близком к единице, вытекают из условия равенства жесткостей закаленной и незакаленной частей, не могут быть признаны правильными, так как при этом не учитывается неравномерность нагружения волокон при изгибе, а также влияние остаточных напряжений.

Понижение усталостной прочности при превышении оптималь­ ной глубины слоя происходит потому, что наряду с общим упроч­ нением по мере увеличения глубины слоя изменяются также и остаточные напряжения.

По вопросу о влиянии глубины закаленного слоя на величину остаточных напряжений сжатия в закаленном слое существуют две не вполне согласующиеся между собой точки зрения.

-13

Нейшулер [5], Мартин и Ван-Нот [29], Мещанинова [8] считают, что увеличение глубины закаленного слоя приводит к непрерывному уменьшению остаточных сжимающих напряже­ ний; Конторович и Лившиц [15], Коссой [4] считают, что снижение величины этих напряжений наблюдается лишь после достижения некоторой (весьма небольшой) глубины закаленного слоя. Умень­ шение величины остаточных сжимающих напряжений при увели­ чении глубины слоя наблюдалось и в нашей работе.

При достаточно большой глубине слоя на поверхности полу­ чаются не сжимающие, а растягивающие напряжения.

Некоторое расхождение в выводах различных исследователей следует отнести, по нашему мнению, за счет различных условий проведения опытов. Работы Нейшулера, Мартина и Ваи-Нота, Мещаниновой и наши производились при большем отношении глубины слоя к диаметру образца, чем работы Коиторовича, Лившица и Коссого. Поэтому в первом случае не удалось уло­ вить максимум на кривой зависимости величины остаточных напряжений от глубины слоя, имея небольшое количество экспе­ риментальных точек вблизи него.

В некоторых экспериментах Вейнштока [19] наблюдалась обратная картина — увеличение остаточных напряжений при закалке на большую глубину, что привело автора к неверным выводам по вопросу о влиянии глубины слоя на величину оста­ точных напряжений. Однако, если учесть влияние всех факторов, то окажется, что в опытах Вейнштока увеличение глубины закалки происходило при значительном (до 180—200°) повышении тем­ пературы закалки. Очевидно, что в данном случае температура, а не глубина слоя, являлась определяющим фактором, и в этом заключается причина расхождения данных Вейнштока с данными других исследователей.

Таким образом, при увеличении глубины закаленного слоя выше оптимальной разупрочняющее действие остаточных напря­ жений преобладает над упрочняющим действием более толстого закаленного слоя, что приводит к снижению усталостной прочности.

По вопросу о влиянии ширины переходной зоны на остаточные напряжения и усталостную прочность также можно привести различные точки зрения.

В более ранних работах по поверхностной закалке, выпол­ ненных Нейшулером [5], Кидиным [3], Осборном [28] и неко­ торыми другими исследователями, считалось, что необходимо по возможности получать плавный переход от закаленного слоя к сердцевине с тем, чтобы уменьшить получающиеся при поверх­ ностной закалке растягивающие остаточные напряжения в пере­ ходной зоне, материал которой обладает более низкими свой­ ствами по сравнению со свойствами закаленного слоя, а в некото­ рых случаях и сердцевины.

При этом авторы упомянутых работ совершенно неправильно считали, что в поверхностно упрочненном образце или детали

44

разрушение всегда начинается в переходной зоне, которая нахо­ дится под воздействием растягивающих напряжений.

Появившиеся в более поздний период работы Вейнштока [181, [19] показали, что ие следует стремиться уменьшить глубину мартенситной зоны за счет получения более растянутой переход­ ной зоны. Вейнштоку удалось, подбирая режимы закалки, умень­ шить переходную зону и вместе с тем получить сжимающие напряжения как в закаленном, так и в переходном слое.

Возможность получения высокой усталостной прочности при малой ширине переходной зоны была подтверждена нашими работами. Отношение площади мартенситной зоны к суммарной площади мартенситной и переходной зон в работах Вейнштока

инаших превышало

а> 78°/0.

т+ ^пе

Произведенное исследование усталостных изломов показало, что переходная зона является центром усталостного разрушения лишь в том случае, когда она находится под воздействием значи­ тельных растягивающих напряжений и расположена на неболь­ шом расстоянии от поверхности.

К сохранению высокого значения параметра а следует стре­ миться лишь при достаточно малой глубине слоя (при р < 1,0— 2,0), так как при больших глубинах закалки переходный слой попадает в область меньших нагрузок.

Анализируя приведенные выше работы, следует указать на три возможных варианта разрушения от усталости в зависимости от глубины слоя.

1. С л о й о ч е н ь т о н к и й . Остаточные напряжения малы как в мартенситном слое (сжимающие), так и в переходном (растягивающие). Разрушение начинается в переходном слое, который хотя и не ослаблен значительно растягивающими напря­ жениями, но находится слишком близко от поверхности (при этом наружный слой прочен, но воздействию значительных сжи­ мающих напряжений не подвержен).

2. С л о й б о л е е т о л с т ы й . Остаточные напряжения достаточно велики как в мартенситном (сжимающие), так и в пере­ ходном (растягивающие) слоях. Разрушение начинается в пере­ ходном слое, который находится недостаточно далеко от поверх­ ности и к тому же ослаблен растягивающими напряжениями.

3. С л о й с а м ы й т о л с т ы й . Переходный слой далек от поверхности и усилен сжимающими напряжениями. Мартен­ ситный слой хотя и прочен, но находится под воздействием растягивающих напряжений. Разрушение начинается с поверх­ ности.

Максимальная усталостная прочность получается при тол­ щине слоя, соответствующей границе между вторым и третьим случаями.

45

Большое влияние на результаты индукционной закалки имеет правильный выбор температуры и скорости нагрева. В настоящее время большинство исследователей, работающих в этой области, считают, что при практически осуществляемых скоростях индук­ ционного нагрева (не превышающих 1000—1200°/сек.) темпера­ тура закалки конструкционной стали превосходит температуру закалки при медленном нагреве внешним источником тепла, причем с увеличением скорости нагрева температура закалки повышается. Одновременно повышается температура начала роста зерна при нагреве.

Исследование зависимости температуры закалки конструк­ ционной углеродистой стали от скорости нагрева производилось Кидиным 13], Славиным и Грязновой . [25], Головиным [20] и Лозинским [2]. По данным Кидииа, температура индукционной закалки стали 45 составляет 880-г-920°, по данным Головина— 825-т-925°. Лозинский указывает более высокие значения темпе­ ратурного интервала полной закалки стали 45 с отожженной исходной структурой— 1000-г- 1500°, Славин и Грязнова — 900 ч- 1200°.

Основной причиной повышения температуры электрозакалки является повышение точки Асу Происходит это потому, что при увеличении скорости электронагрева превращение структурно свободного феррита растягивается до более высокой температуры.

Большое влияние на положение критических точек при быстром электронагреве имеет исходная структура стали.

В ряде работ ([2], [20] идр.) показано, что в случае мелко­ дисперсной исходной структуры наблюдается меньшее повышение точки А Са, позволяющее производить закалку с более низких температур. Происходит это потому, что при грубой исходной структуре пути диффузии больше, превращения растягиваются и заканчиваются при более высокой температуре.

Причиной повышения температуры начала роста зерна при быстром электронагреве является уменьшение времени пребы­ вания стали при высокой температуре. За те небольшие проме­ жутки времени, в которые сталь находится в аустенитном состоя­ нии, зерно вырасти не успевает, и требуется значительное (по дан­ ным различных авторов достигающее 100 ч- 200°) превышение температуры по сравнению с температурой обычной закалки, чтобы в структуре стали были обнаружены следы перегрева.

В зависимости от температуры и скорости нагрева изменяются структура и свойства стали.

Так как температура закалки является функцией скорости нагрева, то целесообразно установить, какая скорость нагрева является наиболее желательной.

Работы Малышева и Павлова [13], Кидина [3], Лозинского [2] и ряда других исследователей показали, что при практически осуществляемых скоростях нагрева, когда средняя скорость нагрева не превышает 1000—12007сек., ухудшения свойств при

46

увеличении скорости закалки не наблюдается. Наоборот, в тех опытах, где по тем или иным причинам указанные значения скорости нагрева достигнуты не были, твердость, а следовательно, и другие свойства стали после электрозакалки получались заниженными.

Одновременно с этим необходимо отметить, что после закалки стали с улучшенной исходной структурой, позволяющей произ­ водить закалку с большими скоростями нагрева и в то же время при более низких температурах, твердость и другие свойства стали получаются более высокими.

Так, например, в работе Коссого [4] максимальная твердость стали 45 после нормализации и индукционной закалки соста­ вляла HRQ = 56—59, а после улучшения и , индукционной

закалки — на две единицы выше. Аналогичные данные получи­ лись в опытах Кидина [3]. Кидин считает причиной различной твердости мартенсита, получающегося при индукционной закалке, величину структурных неоднородностей. Как известно, при боль­ ших скоростях электронагрева полной гомогенизации аустенита не достигается. Получающийся после закалки мартенсит также не является однородным.

По мнению Кидина, большей твердостью обладает такой мар­ тенсит, у которого степень неоднородности структуры (распреде­ ление углерода) меньше, но и величина неоднородных зон также меньше. Чрезвычайная измельчеиность неоднородных зон в зна­ чительной степени определяет более высокую твердость. В стали, предварительно обработанной на мелкодисперсную структуру, электрозакалка дает более высокую твердость, так как в этом случае получается большее измельчение структурно неоднород­ ных участков при одновременно получающейся меньшей неодно­ родности соседних участков.

Следовательно, получение высоких свойств при электро­ закалке возможно только при применении стали с предварительно улучшенной структурой и при достаточно высоких скоростях нагрева.

При изменении скорости нагрева и связанном с этим измене­ нии температуры изменяются не только свойства закаленного слоя, но и его параметры, а также распределение и величина остаточных напряжений.

Выше уже было показано, что для получения высокой уста­ лостной прочности необходимо стремиться к уменьшению ширины переходной зоны. Это возможно лишь при увеличении скорости нагрева.

Кроме этого, при поверхностной индукционной закалке стали с улучшенной исходной структурой материал переходной зоны подвергается нагреву до температуры, превышающей температуру предыдущего отпуска. При недостаточно высокой скорости нагрева происходит уменьшение твердости в переходном слое, что нежелательно, так как приводит к ослаблению материала

47

переходного слоя и к возникновению очагов усталостного разру­ шения, в переходном слое при меньших нагрузках.

Таким образом, с целью получения необходимых параметров слоя и избежания падения твердости в переходном слое скорость нагрева при индукционной закалке необходимо увеличивать.

До сего времени не достаточно выяснен вопрос о влиянии повышения температуры поверхностной индукционной закалки при повышении скорости нагрева на величину и распределение остаточных напряжений.

Как показали Коиторович и Лившиц [15], повышение тем­ пературы поверхностной индукционной закалки приводит к повы­ шению остаточных напряжений. Прямого указания на неблаго­ приятное изменение эпюры остаточных напряжений при повыше­ нии температуры индукционной закалки, если это повышение не сопровождается чрезмерным увеличением глубины закален­ ного слоя, ухудшением структуры в результате перегрева и дру­ гими неблагоприятными факторами, не имеется.

Наоборот, в некоторых работах Вейнштока [18], [19] и дру­ гих авторов имеются косвенные доказательства благоприятного влияния повышения температуры на величину и характер оста­ точных напряжений.

Таким образом, повышение скорости нагрева до максимально достижимых в настоящее время величин целесообразно со всех разобранных выше точек зрения.

Тем не менее некоторые авторы [2], [4] рекомендуют умень­ шать скорость нагрева и температуру индукционной закалки. С нашей точки зрения такие рекомендации недостаточно обо­ снованы.

Необходимо высказать еще несколько положений, отмечаю­ щих влияние предварительной термической обработки на свой­ ства поверхностно закаленных образцов.

Различная предварительная обработка лозволяет изменять свойства сердцевины, что может оказать влияние на усталостную прочность.

Как указывает Кидин [3], предварительное улучшение струк­ туры повышает связь закаленного слоя с сердцевиной.

Вопрос о влиянии свойств сердцевины на усталостную проч­ ность поверхностно упрочненного изделия до настоящего вре­ мени не является окончательно решенным. В работе Мороза и

исследованию азотированных и цементированных образцов, а так­ же наши опыты по поверхностной индукционной закалке леги­ рованной стали показали, что повышение твердости сердцевины не приводит к существенному изменению усталостной прочности, так как одновременно с повышением свойств сердцевины увели­ чиваются вредные растягивающие напряжения в переходном слое.

48

Некоторые исследователи 13, 51 справедливо указывают на то, что при различных свойствах сердцевины оптимальные пара­ метры закаленного слоя различны.

На усталостную прочность поверхностно закаленных изделий оказывает влияние предварительный подогрев. На возможность повышения усталостной прочности при применении подогрева впервые указал Одинг [231 еще в 1943 г. В работе Кудрявцева и Новикова [61 применение предварительного подогрева не дало эффективных результатов, и высказанная Одингом точка зрения длительное время не находила экспериментального подтвер­ ждения. Лишь в последнее время эффективность применения подогрева с целью повышения усталостной прочности была пока­ зана в работе Коссого [4].

Предварительный подогрев, уменьшая разность температур начала и конца индукционного нагрева, позволяет с меньшим количеством энергии, подводимой в единицу времени (т. е. мень­ шей мощностью), осуществить нагрев с высокой скоростью в меж­ критическом интервале; эта скорость и определяет процесс образования аустенита и получающиеся при закалке структуру и свойства. Повышение скорости нагрева в межкритическом интервале происходит за счет уменьшения теплоотдачи в более глубокие слои. В упомянутой работе [4] повышение температуры предварительного подогрева привело к получению более благо­ приятной структуры стали.

Другим преимуществом предварительного подогрева является уменьшение толщины переходной зоны, что, как уже указывалось выше, приводит к уменьшению растягивающих остаточных напря­ жений и смещению точки их максимального значения в более глубокие слои. Улучшение структуры и получение более благо­ приятного распределения остаточных напряжений способствуют повышению усталостной прочности.

С нашей точки зрения применение предварительного подогрева целесообразно лишь в тех случаях, когда мощность высокочастот­ ной установки недостаточна. В тех случаях, когда нагрев может быть осуществлен с достаточно высокими скоростями, высокая усталостная прочность может быть получена без применения предварительного подогрева.

На результат поверхностной индукционной закалки оказы­ вает влияние правильный выбор частоты тока. Для полного использования всех преимуществ' электронагрева необходимо подбирать частоту таким образом, чтобы глубина проникнове­ ния тока в сталь, нагретую до аустенитного состояния, примерно равнялась требуемой глубине закаленного слоя. В этом случае нагрев будет в значительной степени производиться за счет пря­ мого выделения тепла без теплопередачи, что позволит достичь более высоких скоростей нагрева.

Как показало проведенное нами сравнение, падение твер­ дости в переходной зоне также может зависеть от частоты тока.

В случае, если глубина проникновения меньше глубины закален­ ного слоя, наблюдается более интенсивное падение твердости в переходном слое.

Углеродистая сталь требует весьма интенсивного охлаждения при закалке. Как указывает Садовский [11], это требование при индукционной закалке приобретает еще большее значение, так как в силу неполной гомогенизации аустенита при быстром нагреве критическая скорость закалки повышается.

Обычно при индукционной закалке осуществляется душевое (спреерное) охлаждение достаточной интенсивности. До некото­ рой степени повышению интенсивности охлаждения при поверх­ ностной закалке способствует отвод тепла внутренними слоями. В силу ряда причин (малое давление охлаждающей жидкости, большое расстояние между индуктором и спреером, приводящее к подстужйванию, и др.) возможно неравномерное или недоста­ точно интенсивное охлаждение и, как следствие, ухудшение струк­ туры и снижение твердости закаленного слоя. При неравномер­ ном охлаждении на закаливаемой поверхности появляются следы цветов побежалости; твердость слоя получается неравномерной. Усталостная прочность при неравномерной закалке резко умень­ шается.

Температура отпуска после индукционной закалки не должна превышать 160—180°. Такое низкое значение температуры отпуска объясняется тем, что причины, по которым стараются повышать температуру отпуска после обычной закалки — высокая хруп­ кость, повышенная чувствительность к надрезам, царапинам и

а в результате благоприятного распределения остаточных напря­ жений чувствительность к надрезу резко уменьшается. Наоборот, как следует из работ Малышева и Павлова [14], при отпуске после электрозакалки наблюдается более резкое снижение твер­ дости, чем при отпуске после обычной закалки. При отпуске также уменьшаются сжимающие напряжения в поверхностных слоях.

Отсюда вытекает нецелесообразность повышения температуры отпуска выше указанных пределов, так как в противном случае усталостная прочность будет снижена в результате значительного уменьшения твердости закаленного слоя и величины остаточных напряжений.

Как показали работы Вейнштока [16] и других авторов, снижение усталостной прочности легированных сталей начи­ нается при увеличении температуры отпуска свыше 180°. Для углеродистой стали, которая снижает твердость при более низких температурах, следует назначать и более низкую температуру отпуска.

50