книги / Хладноломкость металлоконструкций и деталей машин

№ 7.

М. Я. ШАШИН

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ ПРИ ПЕРЕМЕННОМ УДАРЕ

Постановка вопроса

Механический наклеп является эффективным способом уве­ личения надежности ряда перенапряженных деталей, эксплуа­ тируемых при плавном циклическом нагружении. При повтор­ ных же ударах подобная эффективность наклепа наблюдается не всегда.

Кроме того, если сопротивляемость переменному удару при низких перегрузках зависит от уровня усталостной прочности, то при высоких динамических перенапряжениях она определя­ ется ударной вязкостью стали П—2], которая может понизиться при наклепе вследствие охрупчивания.

Поэтому можно предполагать, что при высоких ударных пе­ регрузках в ряде случаев эффект наклепа будет или отрицатель­ ным или в лучшем случае равным нулю.

Для выяснения влияния наклепа на ударную вязкость были проведены специальные исследования по изучению критических интервалов хрупкости на образцах типа Кунце из конструкцион­ ной стали, подвергнутых различным способам поверхностной обработки [3].

Кривые (точнее зоны разброса) зависимости ударной вязкос­ ти от температуры оказались плавными, без резких переломов, что связано с недискретностью перехода от вязкого состояния к хрупкому, характерной для этой стали. Поэтому в качестве критериев оценки были выбраны предложенные Н. Н. Давиденковым [4 ] энергетический — т) и температурный — ^ запасы вязкости.

Оказалось, что упрочнение обкаткой не способствует переме­ щению переходной зоны от вязкого к хрупкому разрушению в сторону более высоких температур, наоборот, температурный и энергетический запасы вязкости при наклепе даже повышаются.

По-видимому, вредное влияние охрупчивания материала, связанное с наклепом, перекрывается положительным влиянием возникающих при этом остаточных сжимающих напряжений. Но если так велика положительная роль остаточных сжимаю­ щих напряжений при ударной усталости, то можно ожидать и в этом случае, т. е. при переменном ударе, что в напряженном состоянии эффективность наклепа будет высокой. Известно, что при напряженном наклепе повышается интенсивность остаточ­

изучению влияния наклепа на ударную вязкость, изучалась эффективность упрочнения образцов и деталей (как при обыч­ ном, так и напряженном наклепе), эксплуатируемых при пере­ менных ударных нагрузках.

«тали различных марок (50А, 35ХГСА, 40ХНМА, 25ХНВА, 30ХН2МФА и др.), термически обработанных на высокую твер­ дость (46 — 48 Я ^С ), изучалось влияние механического накле­ па на повышение долговечности при повторном ударном изгибе в зависимости от концентрации напряжений, энергии удара, ви­ да упрочняющей обработки и химического состава.

На рис. 1 представлены результаты И. С. Штейнберга, полу­ ченные в совместной работе с автором по изучению влияния обработки дна надреза образцов из стали марки 25ХНВА на их долговечность. Подобные же закономерности характерны и для образцов других сталей, перечисленных выше. Результа­ ты (см. рис. 1) получены при энергии удара 19,6 кгс см. Испы­ тания проводились также и при более высокой, и при более низ­ кой энергии удара.

=10 мм).

Эффективность упрочнения чеканкой

меньше зависит от концентрации напря­ жений и составляет (по увеличению долговечности) 400 — 500% (при г = = 1 ,0 мм); 600—800%(приг= 3 ,0 —5,0мм)

Рис. ] Влияние способа обработки поверхности надреза на долговечность при повторном ударе стали марки 25ХНВА:

/ — полировка с притиркой; 2— дробеметная обработка; 3 — чеканка; 4 —шлифование.

и 300—500% (при г — 10,0 мм). При малых радиусах за­ кругления (г = 0,2) даже чеканка малоэффективна. В этом случае нужны еще более эффективные методы, изучению которых посвящен следующий раздел данной статьи.

Чем тверже материал, тем эффективнее упрочнение при ис­ пытаниях на больших базах, т. е. при малых энергиях удара. При высоких динамических перегрузках влияние твердости иногда проявляется в обратном порядке.

Для увеличения эффективности упрочнения при острых надрезах и высоких энергиях удара применялся «напряженный наклеп» и так называемое чистое заневоливание, т. е. статический изгиб, вызывающий пластическую деформацию растяжения в дне надреза. Дозирование заневоливания осуществлялось на специальном приборе по измерению стрелы прогиба (0,25 и 0,50 мм).

«Напряженный наклеп» не был таковым в общепринятом понимании. В данном случае «напряженным наклепом» был назван комбинированный вид упрочнения предварительным

Все образцы были разделены на 2 группы. Первая группа испытывалась переменным ударом непосредственно после «чис­ того заневоливания» или «напряженного наклепа», а вторая группа после такого упрочнения подвергалась еще дополнитель­ ной обработке дробью.

В зависимости от радиуса закругления дна надреза образпы типа Менаже отличались высотой ненадрезанной части сечения

Л’эфф-

На рис. (2—3) сопоставлены результаты испытаний при низ­ кой (10,4 кгс см) и высокой (24,23 кгс см) энергиях удара об­ разцов из стали ОХИЗМ, термически обработанных на твер­ дость 46—48 НЯС при очень остром надрезе (г = 0,2 мм). Из рис. 3 видно, что даже при таких жестких условиях испытания, когда энергия удара 24,23 кгс см, эффективность комбиниро­ ванного упрочнения «при напряженном наклепе» составляет более 1000%, чего нельзя достигнуть даже при чеканке. К сожа­ лению, подобные методы упрочнения не всегдаприменимы к реальным деталям. Кроме того, если при испытании образцов эффективность чеканки и комбинированных методов оказыва­ лась, как правило, значительной даже при наибольших концент­ раторах напряжений и при высоких энергиях удара, то при упрочнении некоторых натурных деталей иногда и наиболее эффективные способы не давали положительного результата.

Натурные испытания упрочненных деталей

При натурных сравнительных испытаниях упрочненных и неупрочненных деталей на специальных стендах подбирались такие параметры динамического нагружения (энергия удара, скорость и геометрия бойка), при которых долговечность (или число ударов на стендах) совпадало с так называемой «базой жи­ вучести» в реальных условиях при эксплуатации.

Для некоторых деталей, характеризуемых ограниченными «базами живучести», что соответствует высоким перегрузкам, эффективность упрочнения падала до нуля, когда энергия удара

искорость движения бойка превышали определенные нормы. На рис. 4 представлено относительное увеличение долговеч­

ности в зависимости от «базы», т. е. от числа циклов до разруше­ ния исходной неупрочненной детали. Условия эксплуатации и стендовых испытаний настолько «жесткие», что упрочнение дробью неэффективно даже для повышенной «базы живучести», равной 15 000 ударов.

значительной тогда, когда динамика импульсивных нагрузок (энергия удара и скорость движения упрочняющего бойка) при упрочнении превышает динамическое воздействие при эксплуа­ тации или при натурных испытаниях на стендах.

При жестких динамических условиях эксплуатации, когда скорость деформирования близка к критической, упрочнение поверхностным наклепом бесполезно. В этих условиях энергия воздействия упрочнителя должна быть выше эксплуатационной, когда при первых же ударах инструмента на детали могут по­ явиться трещины, снижающие сопротивление ударной усталости.

ЛИ Т Е Р А Т У Р А

1.Н. Н. Д а. в и д е н к о в. Динамические испытания металлов. ОНТИ, 1936.

3.М. Я- Ш а ш и н. Увеличение сопротивляемости разрушению при пов­ торных ударах при применении упрочняющих обработок. — Тез. докл.

совещ. по вопросам хладноломкости стали и сопротивляемости сварных конструкций хрупким разрушениям (11—14 декабря 1962 г.). Л ., 1962.

4.Н. Н. Д а в и д е н к о в. Проблема удара в металловедении. АН СССР,

1938.

не менее 30 кгс/мм2, ударную вязкость после механического ста­

термической обработке, условий охлаждения, размеров сечения, отпуска и других факторов на механические свойства и строе­ ние стали. По мнению авторов, отпуск после термического упроч­ нения необходим только в тех случаях, когда превращение аустенита в момент охлаждения происходит при температуре ниже 550° В тех случаях, когда превращение аустенита про­ исходит в нижней зоне перлитного интервала температур (650— 550°), необходимые механические свойства можно получить с помощью одинарной термической обработки (без отпуска). Не­ сомненно, что температура превращения аустенита будет за­ висеть от скорости охлаждения, которая в свою очередь зависит в основном от охлаждающей способности среды и размеров из­ делия (заготовки). Еще недостаточно изучена необходимость применения отпуска после термического упрочнения для изде­ лий различных размеров.

В работе [3] основное внимание уделено изучению влияния термической обработки на механиче кие войства стали при обычной температуре и значительно меньше изучено поведение термически обработанной стали при отрицательных темпе-

ратурах.

Вданной работе исследовано влияние термической обработ­ ки стали марки Ст. Зкп на ее механические свойства при отри­

цательных температурах в различных условиях испытания. Мы ставили цель изучить возможности замены некоторых легированных сталей сталью марки Ст. Зкп при температурах,

ниже которых она в настоящее время не применяется.

Методика испытания

Ниже приводится химический состав стали марки Ст. Зкп, %.

Для изучения влияния термической обработки на механи­ ческие свойства проводили механические испытания образцов в состоянии поставки, после охлаждения с 900° в воде и после охлаждения с 900° в воде и отпуска 600° Термической обработке подвергали заготовки из проката 0 2 0 мм и длиной 200 мм.