книги / Циклическая прочность металлов

Классы чистоты 6—14 имеют каждый еще дополнительные* разряды а, б, в в зависимости также от указанных двух пара­ метров (табл. 36).

Из табл. 37 видно, какими способами обработки может бытьдостигнута* та или иная группа и тот или иной класс чистоты поверхности изделия.

Чем выше качество (чистота) обработки поверхности, чем меньше на ней имеется концентраторов напряжений, тем выше будет циклическая прочность изделия?) Но добиться идеальной поверхности практически почти невозможно. Не только после' шлифовки, но даже после самой тщательной полировки поверх­ ность изделия все еще может сохранять микроскопические риски, вмятины и т. д.

Заметное влияние могут оказывать и те вредные остаточные напряжения (растягивающие), хотя и весьма небольшие по величине, которые почти всегда возникают в процессе обработки J в поверхностных слоях изделия; градиент этих напряжений часто бывает высокий, хотя измерение их и весьма затрудни­ тельно. Отрицательным обстоятельством является и то, что по­ верхностные слои изделия являются границей металла, нару­ шающей целость его кристаллических зерен.

Не у всех металлов одинаково сказывается влияние отделки поверхности на циклическую прочность; наиболее чувствитель­ ными являются стали, особенно высокопрочные; чувствительностьалюминиевых сплавов меньше; магниевые сплавы и чугуны к от­ дел е поверхности почти нечувствительны.

/Специальные исследования показывают, что у сталей повыше­ ние циклической прочности в связи с обработкой поверхности, особенно заметно при грубых отделочных операциях — при обработке напильниками, при шлифовке наждачными полотнами и т. п.; при высоких ступенях отделки поверхности повышение* циклической прочности менее заметно; например, зеркальная полировка образцов увеличивает предел усталости весьма мало по сравнению с хорошей шлифовкой. Следует заметить, что по­ лировка поверхности металлов в практических условиях неявляется, по-видимому, наиболее эффективной окончательной обработкой напряженных элементов машин и конструкций, так как при этом хотя и достигается на вид совершенно гладкая поверхность, но при циклических напряжениях имеют существен­ ное значение (как концентраторы напряжений) именно мельчай­ шие царапины, которые появляются при полировке и действуют1

особенно сильно.

Для оценки влияния качества поверхности металлов (в изде­ лиях) на циклическую прочность их было предложено несколько-

способов.

Наиболее наглядным является коэффициент А поверхностной чувствительности металла,^который представляет собой вели­ чину понижения (в процентах) предела усталости металла при

поддается какому-либо теоретическому расчету, тем более что не­ редко степень этого снижения зависит даже от того, каким спо­ собом нанесено местное повреждение.

Вязкие металлы не особенно чувствительны к случайным местным дефектам, у хрупких же металлов такие дефекты могут сказываться на понижении циклической прочности весьма за­ метно; известны случаи, когда на детали из твердой стали цара­ пина глубиной 0,02 мм, полученная случайно на шлифовальном станке, снизила предел усталости на 45%; на детали из легкого металла царапина от гравировальной иглы глубиной 0,24 мм понизила предел усталости даже на 67%; но если дефект на по­ верхности сделан так, что при этом произошло уплотнение поверхности его (например, насечка тупым зубилом), то такой дефект может и не понизить величины предела усталости кон­ струкции. Отметим еще, что циклическая прочность металлов особенно заметно понижается, если поверхность повреждается истирающим движением; опыты с кольцами, надетыми на обра­ зец, ярко подтверждают это обстоятельство.

Подытоживая изложенное, можно заключить, что даже тща­ тельно обработанная поверхность металлов (в изделиях) не изба­ влена полностью от разного рода концентраторов напряжений — конструктивных, технологических, эксплуатационных. В част­ ности, технологические процессы, имеющие целью улучшить макро- и микрогеометрию поверхности, далеко не всегда оказы­ ваются надежным средством повышения циклической прочности; в некоторых случаях они могут оказаться не столько полезными, сколько вредными.

Поэтому современная наука в поисках способов повышения циклической прочности металлов пошла также и по пути упроч­ нения поверхности металлов в элементах машин и конструкций.

§ 24. ВЛИЯНИЕ МЕХАНИЧЕСКОГО УПРОЧНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ИЗДЕЛИИ

Механическое упрочнение поверхности является весьма эф­ фективной мерой повышения циклической прочности стальных изделий.

В настоящее время хорошо разработаны и часто применяется для этого два метода: 1) обкатывание поверхности изделия спе­ циальными катками или роликами и 2) обдувка поверхности мелкими твердыми шариками (дробью) или в некоторых случаях песком.

Метод обкатывания поверхности изделий (деталей машин) роли­ ками с целью повышения циклической прочности начали применять

!в Советском Союзе в 1936—1938 гг.'Метод этот имеет ряд преиму­ ществ, из которых наиболее существенными являются: сравни-

194

Влияние обкаты вания на циклическую прочность стали

нии, не имеет существенного значения; этот радиус целе­ сообразно выбирать так, чтобы наибольшее удельное давление на ролик не превосходило безопасного сопротивления материала его. Скорость обкатывания и величина продольной подачи роли­ ков также не дают заметных влияний на величину предела уста­ лости обрабатываемого изделия. Число проходов при обкаты­ вании чаще всего ограничивается двумя, в виде прямого и обратного ходов суппорта; эксперименты с увеличением числа проходов до шести и более не дали заметных положительных результатов.

Исследования показывают, что наиболее существенное влия­ ние на предел усталости обкатываемого изделия имеет величина удельного давления д, которое испытывает поверхность изделия под нажимом роликов. Из данных табл. 41 видно, что с увеличе­ нием давления прочность обрабатываемого изделия (образца)

повышается.

Механизм положительного влияния поверхностного обкаты­ вания на предел усталости стальных изделий составляют три

компонента:

1) наклеп поверхностных слоев изделий, появляющийся и увеличивающийся от обкатывания как по интенсивности, так и но глубине;

гают обычно значительной величины; в наружных слоях изделия они сжимающие, в средних слоях и глубже они растягивающие;

в них от внешних сил будут появляться в точках на поверхности изделий;

3) микрогеометрия поверхности изделия, которая в результате обкатывания заметно улучшается вследствие сглаживания неров­ ностей (выступов и впадин), что влечет за собой смягчение поверх­ ностных концентраторов напряжений.

Несмотря на широкое применение в практике метода обкаты­ вания поверхности стальных изделий (деталей машин и инже­ нерных конструкций) для повышения их циклической прочности, подробная разработка теоретических вопросов этого метода до настоящего времени отсутствует; вследствие этого не предста­ вляется возможным дать теоретически обоснованные общие правила для выбора оптимального режима обкатывания. До сих пор можно было уточнять величину разных параметров только эксперимен­ тально, способами, связанными с разрушением обкатанных изде­ лий. Лишь сравнительно недавно С. Г. Хейфец [92] путем соответ­ ствующего теоретического анализа вывел формулу, связывающую давление на обкатывающие ролики с получающейся глубиной наклепа в обрабатываемых стальных изделиях.

При обкатывании больших изделий (валов) из материалов с высоким значением предела текучести и при сравнительно малых величинах давления Р эта формула имеет вид

где Р — давление обкатывающих роликов на изделие;

а — средняя геометрическая величина из двух поДУосеи контактного эллипса;

t — глубина наклепанного слоя; [х — коэффициент Пуассона;

от— предел текучести материала изделия.

Во всех Других случаях обкатывания достаточно верные результаты дает формула в таком сокращенном виде:

Экспериментальная проверка формул (36) и (37) дает доста­ точно удовлетворительные результаты, а потому они рекомен­ дуются их^для* широкого практического использования; подтвер­ ждение этому приведено в табл. 42.

Д р о б е с т р у й н а я о б р а б о т к а

Одним из новых методов упрочнения поверхности стальных изделий, особенно распространенным в настоящее время, является метод дробеструйной обработки, ^тот метод позволяет произво­ дить упрочнение поверхности конструкций любой сложной формы; он требует сравнительно простого оборудования и дает весьма эффективные результаты.

Сущность метода состоит в том, что изделие (деталь машины или инженерной конструкции), предназначенное работать на циклическое загружепие, уже прошедшее обычную механическую и термическую обработку, подвергается затем ударному действию потока дроби, как операции окончательной обработки ее поверх­ ности.