книги / Усталость металлов

лости, а цементация с последующим хонингованием повышает прочность поверхности до такой степени, что усталостное раз­ рушение переносится под поверхностные слои.

Обдувка дробью. Основными результатами этой обработки является наклеп поверхностного слоя материала и наведение в нем остаточного сжимающего напряжения. Хотя поверхность, получаемая после обдувки дробью, много грубее, чем после ме­ ханической обработки, получающаяся при этом концентрация напряжений невелика, потому что глубина впадин составляет только небольшую часть их радиуса.

Обдувка дробью применяется почти исключительно для сталь­ ных деталей: влияние ее на сопротивление усталости описано в литературе [335—337]. Обдувка дробью мало влияла на предел усталости гладких полированных образцов. Лав [120] показал, что улучшение обычно составляет менее 20%, а в некоторых слу­ чаях образцы после обдувки дробью имели более низкий предел усталости, чем полированные. Значительное увеличение предела усталости можно получить при обдувке дробью кованых или тру- бо обработанных образцов. Данные об улучшении, которое мож­ но получить на окисленной и обезуглероженной поверхностях, приведены в табл. 36. Процесс наиболее широко используется для обработки пружин как спиральных, так и пластинчатых, так как пружины часто имеют обезуглероженную поверхность и дро­ беструйная обработка может увеличивать долговечность более эффективно и значительно более экономично, чем механическая обработка или шлифование. Этот метод используется также для обработки поверхностей, имеющих следы инструмента, царапины или другие источники концентрации напряжения и для шлифо­ ванных поверхностей, при наличии в поверхностном слое оста­ точных растягивающих напряжений. Лав [120] показал, что со­ противление усталости при дробеструйной обработке может увеличиваться на 5—100%.

Дробеструйная обработка повышает также сопротивление усталостной коррозии и коррозии трения (см. гл. VII).

Оптимальные условия дробеструйной обработки можно луч­ ше всего определять для каждого материала и детали проведе­ нием усталостных испытаний в рабочих условиях. Регулируемыми факторами являются тип и размер дроби, скорость, сообща­ емая ей, и длительность обдувки. Недостаток применения чугун- I ной дроби заключается в том, что она вследствие хрупкости рас­ калывается в процессе обработки, снижая ее качество. Стальная дробь из высокопрочной проволоки имеет большую долговеч­ ность, что обеспечивает постоянство режима обработки. Дробь диаметром 0,64—0,76 мм была признана удовлетворительной для обработки разнообразных по форме и величине деталей, но раз­ мер дроби, по-видимому, не является оптимальным (335, 336].

Дробь значительно меньших размеров оказалась эффектив-

164

ной для обработки деталей небольших сечений, таких как легкие пружины, и деталей с резкими изменениями сечения, хотя есть данные, что дробеструйная обработка эффективна, даже если дробь не проникает в вершину надреза [338]. Лессель и Бродрик

ное напряжение не зависит от диаметра дроби при изменении его от 0,076 до 0,64 мм, а глубина остаточного сжатого слоя с увели­ чением размера дроби возрастает.

Джонис [336] установил, что при дробеструйной обработке давление сжатого воздуха обычно составляет 47—63 кГ/мм2, а

-г- 157 кГ/мм2 повышалось. Чтобы получить хороший результат, обдувку дробью следует продолжать до тех пор, пока вся поверх­ ность детали не будет полностью обработана. Длительная обра­ ботка, а также слишком высокое давление могут дать перенаклеп, вызывающий поверхностные трещины и последующее пони­ жение предела усталости. Некоторый контроль интенсивности дробеструйной обработки можно осуществить, применяя пластин­ ки Олмена, представляющие собой тонкие стальные пластинки, наклепываемые дробью только с одной стороны; полученная в результате наклепа кривизна пластинки показывает величину остаточной напряженности [337, 340].

Олмен [341] показал, что максимальное сжимающее остаточ­ ное напряжение, вызываемое нормальной дробеструйной обра­ боткой, равняется приблизительно половине предела текучести материала, но оно может быть больше, если обрабатывается по­ верхность, на которую в это время действует растягивающее на­ пряжение; этот процесс известен как обдувка под напряжением. Сжимающее остаточное напряжение, равное пределу текучести От, можно получить при действии растягивающего напряжения, равного приблизительно от/2; Олмен считает это оптимальным условием. Максимальное увеличение предела усталости при этом может быть получено только тогда, когда на деталь при работе действует растягивающее напряжение; в противном случае ос­ таточное напряжение будет снижено последующей пластической деформацией. Влияние дробеструйной обработки под напряже­ нием на сопротивление усталости легких листовых рессор пока­ зано на рис. 98. В этих экспериментах некоторые образцы были обдуты под напряжением при сжатии, чтобы вызвать вредные растягивающие напряжения на поверхности. График результи­ рующего остаточного напряжения показан в правой части диа­ граммы; из результатов видно заметное влияние остаточных на­ пряжений на сопротивление усталости.

В некоторых случаях может быть необходимым или жела­ тельным применить дальнейшую поверхностную обработку после

165

обдувки дробью. Например, чтобы удалить очень острые высту­ пы на валу, возникшие в результате дробеструйной обработки, достаточно хонингования, которое незначительно снижает сопро­ тивление усталости (335]. Было показано, что предел усталости может быть увеличен на 20% полированием после обдувки дробью, причем оптимальная глубина полирования составляет около 0,13 мм [342]. Есть предположение, что повышение проч­ ности было получено в связи с тем, что максимум остаточного напряжения находился под поверхностью, но эта точка зрения не полностью разделяется и возможно, что этот эффект обуслов-

Рис. 98. Кривые для различных обдутых дробью листовых рессор в зависимости от степени наклепа [322]:

а — кривые усталости при изгибе в одной плоскости; б — рас­ пределение остаточных напряжений по толщине рессоры (х — расстояние от поверхности)

ливается также результатом полирования. Термообработка при температуре выше 250° С может снять остаточные напряжения и снизить сопротивление усталости.

Дробеструйную обработку можно также применять для улуч­ шения предела усталости деталей из цветных металлов и спла­ вов. Фаунд [343] исследовал влияние обдувки дробью на сопро­ тивление усталости литого магниевого сплава; он показал, что обычная обработка повреждала поверхность, но при свободном падении дроби с высоты 7,3 и 14,6 м предел усталости значитель­ но повышался. Влияние обдувки дробью также было исследова­ но для титановых [344] и алюминиевых сплавов [337].

Поверхностная обкатка. Обкатка поверхности металла может значительно улучшить его сопротивление усталости. Этот про­ цесс может быть более эффективным, чем обдувка дробью, пото­ му что при надлежащем давлении возможно достичь большей степени упрочнения и более высоких остаточных напряжений сжатия у поверхности. При поверхностной обкатке материал

166

тей, где вероятны очень высокие остаточные растягивающие на­ пряжения. Этим можно объяснить низкие' пределы усталости, иногда наблюдаемые для поверхностно закаленных деталей.

Повышение твердости поверхности стали путем цементации, азотирования и цианирования. Повышение твердости поверхнос­ ти используется главным образом для повышения сопротивления

169

износу поверхностей стальных деталей, а также для повышения сопротивления усталости, особенно при коррозии и коррозии тре­ ния. При цементации упрочнение получается в результате насы­ щения поверхности металла углеродом и последующей закалки. При азотировании металл нагревается в атмосфере аммиака и упрочнение достигается поглощением азота без закалки. При на­ греве в расплавленном цианиде как углерод, так и азот погло­ щаются, после чего для получения твердой поверхности обычно следует закалка [351].

Предел усталости повышается при любом из этих процессов как вследствие высокого предела усталости поверхностного твер­ дого слоя, так и вследствие сжимающего остаточного напряже­ ния, возникающего в этом слое при термохимических обработках. Комбинированного влияния этих факторов обычно достаточно, чтобы сопротивление усталости поверхностного слоя стало боль­ ше, чем сердцевины. Усталостные разрушения в деталях, под­ вергнутых термохимической обработке, начинаются в области, граничащей между слоем и сердцевиной. В этих условиях повы­ шение предела усталости, создаваемое поверхностной обработ­ кой, зависит от напряженного состояния и глубины слоя по от­ ношению к размеру детали. При осевом нагружении и при отсутствии концентрации напряжений, напряжение под поверх­ ностью приблизительно такое же, как на поверхности, и, следо­ вательно, упрочняющий слой меньше влияет на сопротивление усталости. IJpn изгибе или кручении небольших образцов наблю­ дается заметное повышение пределов усталости, но наиболее сильно повышается предел усталости образцов с надрезом, по­ тому что на прочность сердцевины концентрация напряжения у поверхности не влияет. (Это, конечно, не относится к тому слу­ чаю, когда концентрация напряжения, распространяющаяся глубже упрочненного поверхностного слоя, образуется после соз­ дания слоя.)

Некоторые типичные данные, показывающие влияние цемен­ тации и азотирования, представлены в табл. 39 и 40. По влия­ нию цианирования также есть некоторые данные в литературе: Ли [352] получил увеличение предела усталости до 97% для мяг­ кой стали; по данным Хенкинса предел усталости различных ста­ лей увеличивается на 5—74% при условии предварительного обезуглероживания [326, 333].

Обработка поверхностного слоя для каждого конкретного случая выбирается в зависимости от марки стали, глубины слоя, величины допускаемого коробления и температуры, при которой работает деталь. При цементации получается более толстый •слой, чем при азотировании; глубина науглероженного слоя со­ ставляет обычно 0,76—2,5 мм, а азотирование, например, при 485° С в течение 72 ч дает слой глубиной от 0,30—0,51 мм [351]. Есть данные, которые показывают, что предел усталости возрас-

170

*Шлифовка после цементации.

**Отверстие просверлено после цементации. '** Отверстие просверлено перед цементацией.

тает с глубиной покрытия, но Фриш [196] относит это в основном за счет влияния размера небольшого образца — разрушение происходит между упрочненным слоем и сердцевиной, где напря­ жение заметно ниже максимального; если глубина покрытия со­ ставляет значительную часть радиуса образца. На больших дета­ лях от такого упрочнения был получен незначительный эффект, и по Фришу эффект различных обработок следует сравнивать по напряжению в месте разрушения. В соответствии с этим для хро­ момолибденовой стали Фриш установил, что тонкий азотирован­

5,1 мм, полученный за 72 ч при 485° С), и для деталей была ре­ комендована первая обработка. При цементации наблюдается