книги / Циклическая прочность металлов

увеличиваясь в объеме, растягивает сердцевину изделия, а сам оказывается сжатым, представляя как бы жесткую оболочку. Чем сильнее этот слой насыщен азотом, тем он становится тверже и более сжатым, тем выше, следовательно, по величине сжимающие напряжения в нем. Величина этих напряжений и распределение их по сечению зависят от соотношения толщины азотированного слоя и размера сердцевины; место перехода их через нуль, из сжимающих в растягивающие, лежит в сердцевине, вблизи от границы азотированного слоя; графики на фиг. 116 показывают

стали. Цианирование значительно повышает циклическую проч­ ность стальных изделий; величина этого повышения зависит от глубины цианированного слоя и, следовательно, от всех параметров режима цианирования: от состава цианокарбюризатора, от степени нагрева, от продолжительности обработки и пр. В табл. 57 при­ ведены данные испытаний гладких образцов из стали 10, цианированиых при разных режимах [33], [79]. Для сравнения в этой таблице приведена величина предела усталости таких же образцов, только нормализованных, не подвергавшихся цианированию.

Цианирование увеличивает циклическую прочность стальных изделий почти в той же степени, как и цементация, и в не­ сколько меньшей степени, чем азотирование. Но кратковременность этого процесса и отсутствие всякий Дополнительных термиче-

ских операций делают его во многих случаях более рентабельным сравнительно с цементацией и азотированием.

Как следует из анализа табл. 57, оптимальная температура цианирования равна 820°. Более высокая температура, а также выдержка более 1 часа не оказывают, по-видимому, практически заметного влияния на повышение прочности обрабатываемых изделий.

Меньшую продолжительность процесса цианирования, дающую и меньшую глубину цианированного слоя, практиковать тоже не следует, так как получающийся тонкий цианированный слой не может гарантировать нужной износостойкости изделия.

Цианирование стальных изделий так же, как цементация и азотирование, резко снижает сопротивление ударным нагрузкам; поэтому этот способ термохимической обработки не может быть рекомендован, как правило, для поверхностной обработки кон­ струкций, предназначенных к эксплуатации в условиях ударного загружения^

§ 27. ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ ИЗДЕЛИЙ

Выше было указано, что повышение сопротивляемости цикли­ ческим нагрузкам изделий, подвергнутых поверхностным цемен­ тации, азотированию и цианированию, обязано появлению в них, в частности, остаточных сжимающих напряжений. Растя­ гивающие остаточные напряжения также имеют значение в уста­ новлении циклической прочности стальных изделий, но значение это в большинстве случаев отрицательное; растягивающие оста­ точные напряжения обычно снижают предел усталости и во мно­

в поверхностных слоях стальных изделий при различных условиях.

В частности, они появляются почти всегда при электролитической обработке поверхности изделий, путем хромирования, никелиро­ вания, цинкования и пр., выполняемой обычно для защиты из­ делий от поверхностной коррозии и для повышения их износо­ стойкости, а также иногда для внешней отделки с декоративными целями. Поэтому все эти виды поверхностной обработки изделий не увеличивают циклической прочности, но обычно снижают ее.

Исследований по влиянию электролитических покрытий из­ делий на их циклическую прочность до сих пор имеется сравни­ тельно мало. Ниже приведены некоторые данные исследований, проведенных в ЦНИИТМАШе [22], [33], по хромированию, никелированию, цинкованию и меднению изделий, как в виде однородных покрытий, так и в виде некоторых их комбинаций.

Одно из первых мест среди перечисленных электролити­ ческих покрытий стальных изделий принадлежит хромированию, которое обычно применяется для повышения износостойкости

икоррозийной защиты, а также для декоративной отделки изделий. В первом случае толщина хромированного слоя принимается 0,15—0,20 .*ut, во втором случае (для отделки) — только 1—2 мк.

Хромируют не только малонагруженные изделия, но нередко

итяжелоиагруженные, работающие с большими циклическими

напряжениями; в этих случаях вопрос о циклической прочности изделий после хромирования приобретает особенно значительный интерес.

Все исследования, проведенные в этом направлении, показы­ вают, что от хромирования стальных изделий предел усталости их всегда снижается, причем такое снижение бывает меньшим при тонких слоях хромирования и большим с увеличением тол­ щины электролитически осажденного слоя хрома. Отпуск хроми­ рованных изделий при 100—250° практически мало изменяет это явление, а в некоторых случаях даже снижает еще более цикли­ ческую прочность обработанного этим способом изделия. В табл. 58 Приведены данные о специальных исследованиях над образцами иа нормализованной стали 40 диаметром 18 мм, глад­ кими и с надрезами, нехромированными (для сравнения) и хроми­ рованными на блестящую и матовую поверхности при разных

режимах.

Снижение циклической прочности образцов, подвергнутых хромированию, обусловливается большими по величине растяги­ вающими остаточными напряжениями, образующимися в слое хрома при его формировании в гальванической ванне. Это сниже­ ние необходимо учитывать при проектировании и эксплуатации хромированных конструкций, особенно в условиях высоких ци­ клических здгружений. Каких-либо изменений статической проч­ ности стальных изделий хромирование не вызывает.

Химическая стойкость, механическая износостойкость, высо­ кая твердость поверхностного слоя хромированных изделий по­ служили причиной широкого распространения электролитиче-

Эти методы заключаются в комбинации двух последовательных операций: начального кратковременного азотирования и затем хромирования или начального поверхностного механического упрочнения и затем хромирования. Идея обоих этих методов заключается в том, что первая операция (азотирование, наклеп) вызывает в поверхностном слое изделия значительные сжимающие остаточные напряжения, которые не только уравновешивают растягивающие напряжения, возникающие при второй операции (хромировании), но, в случаях превышения их над вторыми по своей величине, могут даже поднять показатели циклической проч­ ности обработанных такими комбинированными методами изде­ лий при сохранении в то же время их повышенной механической

Никелирование является также распространенным способом электролитической обработки поверхности стальных изделий, выполняемое с теми же целями, что и хромирование. Никелируют конструкции не только работающие статически, но и конструкции с циклическим режимом эксплуатации. Исследования, проведен­ ные в этом направлении (небольшое количество), показывают, что никелевые электролитические покрытия стальных изделий, как правило, снижают предел усталости, причем это снижение, более заметно в изделиях из твердых легированных сталей. Данные, приведенные в табл. 60, показывают это снижение как в образцах из конструкционной мягкой стали 10, так и в образцах из твердой закаленной стали 50С2Г (пружинной). Образцы из стали 10 ис­ пытывались в нормализованном состоянии — не никелированные и никелированные. Образцы из стали 50С2Г, не никелированные

и никелированные, испытывались после закалки в масле при температуре 840° и отпуске при температуре 500° с выдержкой в течение двух часов.

Неблагоприятное влияние никелирования на циклическую прочность изделий из разных сталей, как мягких, так и твердых, объясняется действием остаточных растягивающих напряжений, которые возникают в слое никеля и достигают иногда весьма больших значений. Показатели статической прочности стали и ударная вязкость ее от никелирования практически почти не из­ меняются.

Следует полагать, что комбинированными методами обработки поверхности стальных изделий при окончательном поверхностном никелировании так же, как и при окончательном хромировании, можно предупредить снижение циклической прочности их; но исследований в этом направлении пока не имеется.

Существуют и другие виды электролитических покрытий металлических изделий, такие, как покрытие цинком, покрытие медью, оксидирование и пр. Все эти покрытия обычно имеют целью защитить обрабатываемое изделие от поверхностной кор­ розии или в некоторых случаях придать ему более декоративный вид. В частности, к цинкованию стальных изделий иногда при­ бегают с целью использовать электрохимическое протекторное действие цинка. Меднение применяют для создания более прочного сцепления между сталью и верхними покрытиями этих Изделий хромом, никелем и пр. Все исследования показывают, что перечисленные виды поверхностных электролитических покры­ тий средством повышения циклической прочности стальных изде­ лий служить не могут; они или не изменяют эту прочность (цин­ кование), или снижают ее (меднение).

§ 28. ВЛ И ЯН И Е ПОВЫ Ш ЕННЫ Х И ПОН И Ж ЕН Н Ы Х

ЭКСП ЛУАТАЦ И ОН Н Ы Х ТЕМ ПЕРАТУР

Многие стальные элементы машин и инженерных конструкций работают при температурах значительно более высоких или низ­ ких сравнительно с нормальными (комнатными) температурами. Поведение металлов (стали) в этих эксплуатационных условиях, а также характеристики их статической прочности отличаются от наблюдаемых при эксплуатации в нормальных температурных условиях. Отличающимися являются и показатели циклической прочности металлов в этих случаях.

Аварии конструкций и машин, работавших под воздействием циклических напряжений в высокотемпературных условиях, по­

вочные факторы: структурные изменения, ползучесть, коррозия. Структурные изменения в металле происходят, как известно, при нагреве достаточной продолжительности даже при сравни­ тельно невысоких температурах; они влияют на циклическую прочность металлов и непосредственно, и потому, что изменяют процесс ползучести их. Особенно заметно на скорость ползучести влияют те структурные изменения, которые связаны с процессом рекристаллизации. В результате ползучести на поверхности стальных изделий возникают микроскопические трещинки, пре­ вращающиеся постепенно в очаги усталостного разрушения вслед­ ствие концентрации напряжений в их районе. Подобно этому на процесс усталостного разрушения действует и поверхностная коррозия, вызывающая образование неровностей и, как следствие этого, появление новых концентраторов напряжений и очагов усталостного разрушения.

Именно вследствие этих причин, взятых отдельно или в их комбинации, циклическая прочность стальных изделий, рабо­ тающих при повышенных температурах, должна быть ниже, чем у тех же изделий при нормальной (комнатной) температуре; она должна быть тем ниже, чем выше температура эксплуатации, причем, как показывают исследования, особенно резко она начи­ нает падать при температурах выше 400° С.

Исследования циклической прочности стальных изделий (об­ разцов) при особо высоких температурах показывают, что на усталостных диаграммах второй горизонтальной участок их обычно отсутствует: кривая усталости все время понижается, стремясь монотонно к пересечению с осью абцисс. Следовательно, в этих условиях испытываемый металл не имеет определенного предела усталости и можно говорить только о пределах ограни­ ченной (условной) усталости на базе определенного числа рабочих циклов. Поэтому при изучении вопроса о влиянии высоких тем­ ператур па циклическую прочность стальных изделий экспери­ ментальные исследования должны ограничиться только теми

повышенными температурами, при которых испытываемый ма­ териал (марка стали) имеет определенный предел усталости, характеризуемый на усталостной диаграмме более или менее четко выраженным горизонтальным участком ее.

Указанные выше добавочные факторы, отрицательно влияю­ щие на циклическую прочность стальных изделий при темпера­ турах значительно больших нормальной (комнатной), дают осно­ вание предполагать, что при низких температурах эта прочность

должна, наоборот, повышаться. Исследований по влиянию на ци­

клическую прочность стальных изде­ лий повышенных и пониженных экс­ плуатационных температур имеется сравнительно мало. Одной из главных причин этого являлось до недавнего времени отсутствие необходимых для таких исследований простых в экс­ плуатации и надежных по результа­ там машин. И только в последнее

стального каната 4 в горизонтальную силу, которая через шариковый подшипник действует на свободный конец образца 7, как на консольный стержень, при его круговом изгибе.

Верхним своим концом образец закрепляется неподвижно. На­ грев образца производится в установленной на машине муфельной электропечи 2. Температура образца регулируется автомати­ чески, и ее величина измеряется при помощи термопары с гальва­ нометром. Машина приводится в действие асинхронным электро­ двигателем 5 с полым валом, который несет на верхнем конце головку с роликами 3. При включении электродвигателя головка, ролики, канат и тяга вращаются вместе с валом, а грузы благо­ даря упору остаются неподвижными и натягивают канат. Машина автоматически останавливается в момент излома образца. Эта

Для циклических испытаний образцов при высоких темпера­ турах можно приспособить также машину НУ [52].

Для этого на машину в специальные выемки ее станины уста­ навливается разъемная электрическая печь, в которой испыты­ ваемый образец может быть нагрет до температуры 700°. В боко­ вом отверстии печи помещены две термопары, одна из которых горячим спаем подходит к образцу и присоединяется к перенос­ ному потенциометру, а другая подходит к обмотке печи и присо­ единяется к стационарному регулирующему и записывающему потенциометру. Вращающийся при испытаниях образец хорошо перемешивает воздух в печи, вследствие чего создаются условия для его равномерного нагрева. Подшипники машины охлаждаются воздухом с помощью крыльчатки с экраном, надеваемых на вра­ щающийся образец. Такая крыльчатка состоит из корпуса с ло­ пастями и вполне обеспечивает нужное охлаждение нагреваю­ щихся частей машины.

Все исследования вопроса о влиянии на циклическую проч­ ность стальных изделий повышенных и пониженных эксплуата­ ционных температур дают результаты, в принципе согласные между собой, а именно: с повышением эксплуатационной темпе­ ратуры (температуры окружающей среды) циклическая прочность изделий непрерывно падает, с понижением температуры — не­ прерывно возрастает. В табл. 61 приведены результаты исследо­ ваний Мура и Джеспера, проведенные с углеродистой сталью при повышенных температурах, и Джонсона с легированными сталями при пониженных температурах [79].

Таблица 61

Влияние окружаю щ ей температуры на предел усталости стали

(по исследованиям Мура, Д ж еспера и Д ж онсона)