Легированные стали с повышенной циклической прочностью.

Циклическая прочность стали определяет работоспособность большой группы ответственных деталей машин-валов, осей, шатунов, штоков, валов-шестерен и других. Основой выбора стали для таких деталей служит предел выносливости Наряду с используют и такие параметры статической прочности, как или НВ, что объясняется их устойчивой связью с пределом выносливости. При выборе марки стали учитывают также ударную вязкость, сопротивление износу, прокаливаемость.

Изменение предела выносливости стали с ростом ее статической прочности подчиняется сложной зависимости (рис. 8.13).

В соответствии с закономерностями усталостного разрушения высокая циклическая прочность стали достигается в том случае, если она оказывает высокое сопротивление зарождению трещин усталости и их развитию. Как отмечалось в п. 7.2, трещины усталости зарождаются тем труднее, чем выше сопротивление поверхностного слоя пластической деформации; иначе циклическая пластическая деформация формирует глубокие повреждения поверхности, являющиеся источниками субмикроскопических трещин усталости. Развитие трещин усталости, наоборот, идет тем труднее, чем легче протекает пластическая деформация, и тем самым полнее релаксируют напряжения у вершины трещины. Исходя из этих закономерностей, упрочнение стали повышает сопротивление зарождению трещин усталости, а повышение пластичности — сопротивление их развитию. Высокая пластичность необходима также для уменьшения чувствительности к концентраторам напряжений, которые облегчают зарождение трещин усталости. Таким образом, предел выносливости стали зависит не только от ее статической прочности, но и от пластичности.

Рис. 8.13. Зависимость предела выносливости при изгибе от временного сопротивления среднеуглеродистых сталей с различной структурой

Снижение пластичности стали и обусловливает замедление роста предела выносливости (см. рис. 8.13) при повышении прочности выше некоторого значения.

Для деталей, работающих при циклических нагрузках, преимущественно применяют стали нормальной и повышенной статической прочности. Из них предпочтение отдают улучшаемым сталям: углеродистым и низколегированным и др., обрабатываемым на структуру сорбита. В отдельных случаях углеродистые стали из-за низкой прокаливаемости применяю! в нормализованном состоянии с ферритно-перлитной структурой.

Для улучшаемых сталей, имеющих невысокую твердость характерны раннее пластическое течение и повреждение тонких (5-10 мкм) поверхностных слоев. Субмикроскопические трещины усталости у них возникают на ранней стадии, составляющей 3-10% от общего времени до разрушения. Остальное время приходится на их развитие.

Характерная особенность улучшаемых сталей - высокая живучесть, обусловленная низкой скоростью роста трещины усталости (СРТУ). Причиной низкой СРТУ, кроме высокой пластичности сталей, является также развитая субструктура ферритной фазы сорбита, которая формируется при высоком отпуске в результате процесса полигонизации.

Дислокации, выстраиваясь в стенки, образуют в феррите малоподвижные субграницы, которые дополнительно блокируются карбидными частицами. При наличии таких внутренних барьеров трещина вынуждена ветвиться, развиваться зигзагообразно, что увеличивает энергию ее образования и время развития. В результате улучшаемые стали на обобщенной диаграмме усталостного разрушения (см. рис. 7.10) имеют достаточно длительную стадию II и короткую стадию I.

Кроме высокой живучести важное достоинство улучшаемых сталей - малая чувствительность к качеству поверхности и случайным ударным нагрузкам. В связи с этим выносливость улучшаемых сталей относительно слабо снижается при наличии на поверхности деталей острых концентрат оров напряжений (резьбы, шпоночных канавок, мелких отверстий, галтелей малого радиуса и т. п.).

Недостаток улучшаемых сталей — невысокий предел выносливости, величина которого растет по мере увеличения статической прочности стали (см. рис. 8.13). При этом до значений зависимость между сохраняется линейной, а коэффициент выносливости максимальный и достигает примерно 0,5.

Рассчитывать детали из улучшаемых сталей по величине не всегда целесообразно из-за низких допустимых рабочих напряжений, что определяет слишком большие размеры деталей. Нередко расчет ведут по ограниченному пределу выносливости Это допустимо, так как высокая живучесть улучшаемых сталей позволяет своевременно выявить трещину и заменить деталь без аварийных последствий. Наиболее низкий предел выносливости имеют среднеуглеродистые стали ( и др.), применяемые в нормализованном состоянии с ферритно-перлитной структурой (см. рис. 8.13). В гаком состоянии эти стали используют при ограничении стоимости деталей или при больших вибрационных нагрузках, когда от материала требуется высокая демпфирующая способность.

Стали повышенной прочности и твердости со структурой троостита (см. рис. 8.13) относятся к материалам функционального назначения - рессорно-пружинным сталям. Циклические нагрузки

в них вызывают слабое деформационное упрочнение поверхности и развитие ее усталостной повреждаемости. Усталостное разрушение в этих сталях, как правило, инициируют поверхностные концентраторы напряжений: риски, царапины, обезуглероженные участки и т. п. Повышенная чувствительность к надрезам служит причиной более заметного разброса значений (см. рис. 8.13), замедления их роста с увеличением статической прочности и, как следствие, снижения коэффициента выносливости до 0,4. Для того чтобы обеспечить более высокую циклическую прочность этих сталей, необходимо уменьшить их чувствительность к концентраторам напряжений.

Твердые высокопрочные стали с мартенситной структурой обладают особо высокой чувствительностью к концентраторам напряжений, что нейтрализует их основное свойство высокое сопротивление образованию трещин усталости. По этой причине увеличение их статической прочности не сопровождается повышением выносливости (см. рис. 8.13). Более того, при начинается снижение а коэффициент выносливости уменьшается до 0,3. Таким образом, потенциальные свойства высокопрочных сталей при циклических нагрузках не реализуются. Особенно сильно это проявляется не в образцах, а в реальных деталях вследствие резкого увеличения эффективного коэффициента концентрации напряжений [см. формулу (7.4)]. Его увеличение связано с интенсивным ростом коэффициента по мере повышения статической прочности стали и снижением коэффициентов, характеризующих влияние масштабного фактора и шероховатости поверхности . Вследствие высоких значений несущая способность деталей из легированных высокопрочных сталей может быть ниже, чем из простых углеродистых сталей.

Вместо объемно-упрочненных высокопрочных сталей применяют средне- и низкоуглеродистые стали, подвергнутые поверхностному упрочнению. Его проводят следующими технологическими методами: 1) закалкой с индукционного нагрева ТВЧ; 2) химико-термической обработкой цементацией (нитроцементацией), азотированием; 3) поверхностным пластическим деформированием (ППД): обкаткой роликами, обдувкой дробью и др.; 4) комбинированными методами, включающими химико-термическую обработку и ППД.

Благоприятное влияние технологических методов обусловлено действием двух факторов повышением сопротивления пластической деформации поверхностного слоя и созданием в нем остаточных напряжений сжатия.

Влияние этих факторов особенно значительно для деталей машин, работающих на изгиб, кручение, т. е. когда напряжения максимальны на поверхности (валы, оси, зубчатые колеса и др.). Упрочненный поверхностный слой в виде жесткой оболочки затрудняет выход дислокаций на поверхность и тем самым препятствует развитию на ней повреждений и образованию трещин усталости. Этому же способствуют и остаточные напряжения сжатия. Суммируясь с напряжениями от внешней нагрузки, они уменьшают на поверхности неблагоприятные напряжения растяжения.

Степень влияния остаточных напряжений сжатия растет с увеличением предела текучести поверхностного слоя - той предельной величины, которой они могут достигать в нем. При этом растет не только возможный уровень остаточных напряжений, но и их стабильность в процессе циклического

нагружения. При мартенситной высокопрочной структуре остаточные напряжения достигают в поверхностном слое большой величины, при которой напряжения растяжения от внешней нагрузки уменьшаются настолько, что смещают очаг разрушения в подповерхностный слой, нейтрализуя тем самым поверхностные концентраторы напряжений. Таким образом, формирование высоких остаточных напряжений сжатия - важная составная часть технологии изготовления деталей машин повышенного сопротивления усталости.

Эффективность технологических методов количественно оценивается коэффициентом упрочнения , показывающим, во сколько раз снижается эффективный коэффициент концентрации напряжений и увеличивается предел выносливости конкретной детали. Влияние поверхностного упрочнения на показано в табл. 8.9.

Из таблицы видно, что эффективность технологических методов тем значительнее, чем острее концентратор напряжений (выше

Выбор метода поверхностного упрочнения детали зависит от условий ее эксплуатации, формы, размеров, марки выбранной стали и других факторов.

Закалку с индукционным нагревом ТВЧ широко используют в массовом производстве для повышения долговечности осей, пальцев, валов и других деталей цилиндрической формы. На структуру мелкопластинчатого мартенсита и высокую твердость обрабатывают слои толщиной 1-3 мм. Вследствие фазовых превращений, вызывающих увеличение удельного объема поверхностного слоя, в нем формируются остаточные напряжения сжатия, которые на поверхности составляют Предел выносливости гладких валов увеличивается в раза (см. табл. 8.9).

Обладая высокой производительностью, метод поверхностной закалки в то же время мало эффективен для деталей сложной формы, для которых возможно только местное упрочнение. В местах обрыва закаленного слоя, не охватывающего галтели, выточки и

ТАБЛИЦА 8.9. (см. скан) Повышение предела выносливости валов при поверхностном упрочнении

другие концентраторы, возникают высокие остаточные напряжения растяжения, снижающие выносливость. Этого недостатка не наблюдается при химико-термической обработке, обеспечивающей равномерное упрочнение, более высокую выносливость и одновременно износостойкость поверхности. Поверхностные слои приобретают высокую твердость: после цементации (нитроцементации) и после азотирования, а также высокие остаточные напряжения сжатия, смещающие очаг усталостного разрушения под поверхность. Предел выносливости гладких валов увеличивается в раза, а при наличии концентраторов напряжений в 3 раза и более (см. табл. 8.9).

Наиболее напряженные детали (зубчатые колеса, вал-шестерни и др.) подвергают цементации, применяя для их изготовления низкоуглеродистые стали (см. табл. 8.4). После насыщения углеродом, закалки и низкого отпуска эти стали при высокой поверхностной твердости сохраняют вязкую сердцевину, способную воспринимать ударные нагрузки. Достоинство цементации возможность получить упрочненные слои большой толщины (0,8 2 мм и более), выдерживающие высокие удельные нагрузки. Однако максимальной циклической прочности отвечают слои меньшей толщины (0,4-0,8 мм), когда остаточные напряжения сжатия высоки у поверхности, а очаг разрушения находится неглубоко от нее. С увеличением толщины слоя остаточные напряжения и предел выносливости снижаются, очаг разрушения смещается в глубь слоя-на границу с сердцевиной. По этой причине циклическая прочность цементированных деталей зависит не только от свойств поверхностного слоя, но и от свойств сердцевины, увеличиваясь по мере повышения ее прочности и твердости, достигая максимального значения при и Такие свойства характерны для хромоникелевых и хромоникельмолибденовых сталей а также сталей с повышенным содержанием углерода - и др. (см. табл. 8.4).

Азотированию подвергают легированные стали и др., для упрочнения сердцевины которых проводят термическое улучшение. Их выносливость определяется режимом азотирования и растет по мере увеличения толщины упрочненного слоя. Вследствие небольшой толщины слоя мм), ограничивающей допустимые нагрузки, а также большой длительности процесса азотирование применяют реже, чем цементацию. Ему отдают предпочтение в тех случаях, когда нежелательна деформация деталей при упрочнении или требуется повышение коррозионной стойкости и высокая износостойкость поверхности.

В отличие от азотирования цементация вызывает сильную деформацию деталей, для устранения которой шлифованием приходится удалять слои толщиной мм, т. е. слои с остаточными напряжениями сжатия. В результате остаточные напряжения сжатия снижаются; во многих случаях формируются напряжения растяжения. В связи с этим цементованные детали после шлифования упрочняют обкаткой роликами или обдувкой дробью. Обкатку роликами применяют для поверхностного наклепа деталей цилиндрической формы, обдувку дробью (диаметром мм), отличающуюся большой универсальностью и производительностью, — для деталей любой конфигурации.

Комбинированное упрочнение характеризуется высокой эффективностью, поскольку ППД дополнительно увеличивает твердость поверхностных слоев (на 10-20%) и формирует в них высокие остаточные напряжения сжатия. В итоге

Рис. 8.14. Зависимость предела выносливости углеродистых сталей от временного сопротивления разрыву при испытании в различных средах: 1 — на воздухе; 2 — в пресной воде; 3 — в морской воде

предел выносливости цементованных деталей увеличивается в 1,5-2 раза. ППД эффективно также и для деталей, закаленных с нагревом ТВЧ, особенно при обрыве упрочненного слоя у концентратора.

В коррозионных средах сопротивление усталости рассмотренных выше некоррозионно-стойких сталей резко снижается и не зависит от их статической прочности (рис. 8.14). Такие стали применяют с поверхностным покрытием из цинка, кадмия, хрома или никеля. Широко используют также специальные коррозионно-стойкие стали, которые рассмотрены в гл. 14.