ГЛАВА XV. ОСНОВЫ РАЦИОНАЛЬНОГО ВЫБОРА СТАЛИ (ЧУГУНА) И МЕТОДОВ УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

1. ВЫБОР СТАЛИ ДЛЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Выбор стали для изготовления той или другой детали машин и метод ее упрочнения определяется уровнем требуемой конструкционной прочности, технологичностью механической, термической и химико-термической обработки, объемом производства, дефицитностью, стоимостью материала и себестоимостью упрочняющей обработки.

При выборе стали и упрочняющей обработки исходят из общих требований, приведенных ниже.

Эксплуатационное требование. Сталь должна удовлетворять условиям работы в машине, т. е. обеспечивать заданную конструкционную прочность, что вначале определяется расчетными данными. Деталей, рассчитываемых на статическую прочность, сравнительно мало. Это детали с большим начальным натягом, детали котлов и сосудов высокого давления, диски компрессоров и турбин и некоторые детали с малым числом плавных нагружений (иногда проводится расчет на малоцикловую усталость). Многие Детали машин работают в условиях, когда возникают напряжения, переменные по времени. Расчеты сопротивления усталости этих деталей при стационарном нагружении ведут по пределу выносливости с учетом конструктивных и технологических факторов.

По критерию жесткости (Е - модуль упругости) рассчитывают станины, корпусные детали машин, станков, валы коробок передач, шпиндели станков и т. д. Однако какими бы точными не были расчеты, только по ним нельзя судить о надежности работы детали. Необходимы натурные испытания, т. е. испытания самих деталей как на специальных стендах, так и непосредственно в эксплуатации. Имея информацию о стойкости деталей, можно установить комплекс прочностных и других параметров, которые находятся в наибольшей корреляции с эксплуатационными свойствами деталей машин. При установлении этих параметров кроме стандартных механических свойств с учетом прокаливаемости стали должны учитываться работа распространения трещины КСТ, трещиностойкость К и, предел выносливости сопротивление контактной усталости, сопротивление износу и т. д.

Элементы машин и конструкций могут работать в экстремальных условиях, при низких или высоких температурах, испытывать большие динамические, статические и циклические перегрузки, воздействие агрессивных сред и т. д., приводящие к отказам деталей машин. При перегрузках в деталях из пластичных материалов возможна пластическая деформация (изгиб оси и валов, растяжение болтов, слияние посадочных поверхностей в крепежных деталях и т. д.) или вязкое разрушение. При длительной эксплуатации при высоких температурах за счет ползучести (см. с. 301) нередко наблюдаются недопустимые деформации. Ползучесть материала лопаток и дисков турбин, паропроводов и других деталей ограничивает срок их службы.

В соответствии со статистическими данными деформация и вязкое разрушение являются причиной 15-20 % всех отказов. Образование хрупких трещин чаще происходит при низких температурах эксплуатации, наличии исходных дефектов типа трещин, повышенных остаточных напряжениях, возникновении статических и динамических перегрузок, а также при увеличении размеров начальных дефектов под действием циклических эксплуатационных нагрузок и коррозии. Хрупкое разрушение судов, мостов, кранов, строительных и дорожных машин обычно начинается в зонах концентрации напряжений и происходит после некоторой наработки. Это говорит о роли накопления эксплуатационных повреждений и увеличения вероятности одновременного сочетания факторов, способствующих снижению сопротивления хрупкому разрушению.

Повышение сопротивления деталей машин (конструкции) хрупкому разрушению не может быть достигнуто повышением запасов статической прочности, т. е. снижением их номинальной напряженности и увеличением сечения. Это должно достигаться использованием более стойких к переходу в хрупкое состояние материалов, надлежащих конструктивных форм и технологии изготовления, повышением требований к дефектоскопическому контролю

на стадии изготовления машин или конструкций для отбраковки некачественного металла или некачественно изготовленных деталей.

Следует отметить, что интенсивное изучение критериев надежности материалов началось с момента широкого применения в технике высокопрочных металлических материалов, характерной особенностью которых является склонность к хрупкому разрушению. Надежность 1 работы конструкции во многом определяется сопротивлением материала распространению трещины, т. е. его вязкостью разрушения Конструктивную прочность сплавов нередко оценивают с помощью так называемых диаграмм конструктивной прочности (рис. 166), построенных в координатах Повысить сопротивление хрупкому разрушению при сохранении высокой статической прочности можно измельчением зерна, ТМО,

Рис. 166. Обобщенная диаграмма конструктивной прочности сталей (О. Н. Романив, А. Н. Ткач): 1 — метастабильные аустенитные стали; 2 — низкоуглеродистые стали; 3 — средне- и высокоуглеродистые легированные стали; 4 — мартенситно-стареющие стали; 5 — стали с очень мелким зерном (номер 12—15); 6 — стали после ТМО; 7 — эвтектоидные (пластинчатый перлшг) стали

Рис. 167. Диаграмма конструктивной прочности строительных (I) и машиностроительных (II) сталей (М.. Гольдштейн): — углеродистые горячекатаные и термоупрочненные стали; низколегированные стали горячекатаные, термоупрочненные и после контролируемой прокатки; . Лтмолегированные стали после закалки и низкого отпуска, закалки и высокого отпуск а и ТМО

очисткой стали от вредных примесей, а также использованием мартенситно-стареющих сталей (рис. 166).

Для многих строительных и машиностроительных сталей определение вязкости разрушения затруднено. Поэтому о сопротивлении хрупкому разрушению судят не по вязкости разрушения а по температурному порогу хладноломкости (рис. 167). Наиболее низкую конструктивную прочность имеют горячекатаные стали обыкновенного качества с ферритно-перлитной структурой (рис. 167). Чем больше в них содержание углерода, тем выше Термическое упрочнение углеродистых сталей повышает и несколько снижает порог хладноломкости (рис.

Низколегированные стали имеют более высокую конструктивную прочность в горячекатаном и нормализованном состояниях (рис. ). После термической обработки низколегированных сталей возрастает, а практически не меняется. Верхняя часть области относится к сталям с карбидным упрочнением , а нижняя — к сталям и др. (см. с. 262). Высокой конструктивной прочностью обладают низколегированные строительные стали после контролируемой прокатки (рис. Машиностроительные легированные стали после закалки и низкого отпуска имеют высокую прочность но склонны к хрупкому разрушению (рис. Улучшение в зависимости от температуры отпуска и состава стали обеспечивает низкий порог хладноломкости при достаточной прочности (рис. 167, ). Наилучший комплекс механических свойств легированные стали имеют после ТМО (рис. 167,

Для изделий, требующих высоких значений низкого порога хладноломкости (работающих при низких температурах с высокими скоростями приложения нагрузки и при наличии концентраторов напряжений), следует применять мелкозернистые, спокойные стали, предпочтительно легированные никелем и молибденом.

Работоспособность зубчатых колес, валов, осей железнодорожных вагонов, коленчатых валов, штоков, рам транспортных и грузоподъемных машин, сварных соединений и многих других деталей и конструкций определяет сопротивление усталости. Для оценки характеристик сопротивления усталости натурных деталей проводят их усталостное испытание для определения предела выносливости детали Значение обычно в 2—6 раз меньше определенного на образцах (рис. 168). Эта разность характеризуется коэффициентом снижения предела выносливости К, отражающим влияние всех факторов на сопротивление усталости: Коэффициент при растяжении-сжатии или изгибе определяют по формуле (ГОСТ 25504-82):

Рис. 168. Соотношение между пределами выносливости стали в малых, больших мм) без концентраторов напряжений и с концентраторами напряжений (I-III соответственно) и деталях машин (1—9): 1 коленчатый вал авиационного двигателя; 2 — коленчатый вал дизеля; 3 — вагонная ось; 4 — прямой вал с напрессованной ступицей; 5 — прямой вал со ступицей на шпоночном соединении; 6 — зубчатое колесо; 7 — болт с резьбой; 8 — заклепочное соединение двух пластин; 9 — сварное соединение пластин

Величины, входящие в выражение для коэффициента К, учитывают влияние концентраторов напряжений масштабный фактор (размер поперечного сечения) качество обработки поверхности и технологические методы упрочнения поверхности Чем ближе к единице значения и больше тем меньше влияние этих факторов на несущую способность детали.

Концентрации напряжений возникают у галтели при переходе от одного сечения вала к другому, галтелей основания зуба шестерни, у дна канавки резьбы, шпоночного паза, около отверстий в деталях, у дна выточек и др. Фактическое снижение предела выносливости детали вследствие концентрации напряжений характеризуется коэффициентом

где — предел выносливости образца без концентрации напряжений, диаметр которого совпадает с размером поперечного сечения детали. Для расчета на выносливость имеет значение и теоретический коэффициент концентрации напряжений

показывающий, во сколько раз максимальное напряжение в зоне концентрации ашах превышает номинальное. Можно предположить, что если напряжение в зоне концентраций возросло в раз, то во столько раз снизится Такая зависимость справедлива при диаметре мм из сталей, имеющих . В других случаях эта зависимость дает погрешность. Поэтому большое значение для повышения сопротивления усталости имеет оптимизация форм изделия с целью снижения концентраций напряжений. Для снижения концентраций напряжений

необходимо придавать деталям плавные очертания, скруглять внутренние углы, применять разгрузочные канавки (отверстия), размещать источники концентраций напряжений в зонах малых номинальных напряжений или смещать максимум местных напряжений от разных источников.

Качество обработки поверхности существенно влияет на сопротивление усталости, так как неровности, образующиеся от механической обработки, являются источниками концентраций напряжений. Это влияние характеризуется концентраторами напряжений, снижающими предел выносливости, и учитывается коэффициентом где — предел выносливости образца с данной шероховатостью, а — предел выносливости образца с тщательно полированной поверхностью. По сравнению с полированными образцами стали предел выносливости шлифованных образцов снижается на а фрезерованных — на 45-50 %.

С увеличением сечения детали (масштабный фактор) снижается, что является следствием влияния металлургических и технологических факторов.

Масштабный фактор характеризуется коэффициентом

— предел выносливости произвольного образца, — предел выносливости гладкого образца с мм). Экспериментально установлено, что для d = 50 мм снижается примерно на а для d = 200 мм снижается на 0-40 %.

Предел выносливости возрастает с увеличением однако у высокопрочных сталей, обладающих высокой чувствительностью к концентраторам напряжений, предел выносливости может быть пониженным (см. рис. 74). У высокопрочных сталей сильно возрастает коэффициент К вследствие резкого увеличения коэффициента по мере роста и снижения коэффициентов (масштабный фактор) и учитывающего качество обработки поверхности. Снижается и вязкость разрушения а следовательно, и сопротивление росту усталостной трещины (живучесть). Это нужно учитывать, когда из соображений снижения массы конструкции выбирают сталь с высоким

Компромиссное решение в данном случае заключается в том, чтобы при проектировании среди конкурирующих сталей выбрать сталь с более низким Это ведет к некоторому увеличению массы конструкции, но повышает предел выносливости, живучесть и сопротивление хрупкому разрушению. Возможно и применение более дорогих сталей, например мартенситно-стареющих или прошедших ТМО.

Наличие на поверхности напряжений сжатия затрудняет образование усталостных трещин, приводит к повышению предела выносливости и живучести. Для повышения предела выносливости и уменьшения влияния концентраторов напряжений широко применяют закалку при индукционном нагреве, химико-термическую

Таблица 16 (см. скан) Зависимость Ко от метода обработки и коэффициента Ко Для валов

обработку, пластическую поверхностную деформацию и другие технологические процессы, упрочняющие поверхность и создающие на поверхности остаточные напряжения сжатия.

В табл. 16 приведены значения коэффициента упрочнения Ко в зависимости от эффективного коэффициента концентрации напряжений и метода поверхностного упрочнения. Чем больше К, тем эффективнее процесс поверхностного упрочнения. После поверхностной обработки очаг усталостного разрушения смещается под упрочненный слой, поэтому на величину влияет прочность сердцевины (см. табл. 16). Чем больше тем эффективнее поверхностное упрочнение. С увеличением сечения изделия (масштабный фактор коэффициент упрочнения после поверхностной закалки, химико-термической обработки и ППД уменьшается. При оптимальных режимах упрочнения для предварительных расчетов Ко может быть определен по формуле

Для уточнения расчетов Ко используют экспериментально полученные данные по влиянию упрочнения на

Выбор того или другого метода упрочнения зависит от условий эксплуатации детали, характера производства, формы, размера и материала детали и других факторов.

Все виды коррозии снижают Влияние коррозии оценивается коэффициентом . С учетом влияния коррозии коэффициент К определяется по формуле

Предел выносливости детали определяют по формуле

где предел выносливости образца мм, изготовленного из заготовки такого же размера, как и деталь.

Большинство отказов деталей машин (до 80-90 %) связано с различного рода изнашиванием вследствие потери точности, снижения и повышения амплитуды переменных нагрузок, что вызывает усталостное разрушение.

Уменьшение износа достигается правильной конструкцией узлов трения (выбор вида трения в опорах, системы смазки, создание устройств для очистки воздуха и смазочного масла и др.), применением износостойких материалов, упрочнением поверхности закалкой, химико-термической обработкой, наплавкой износостойкими сплавами, нанесением на поверхность тонкого слоя нитридов или карбидов и др.

Такие детали, как. подшипники качения, зубья колес, железнодорожные колеса, и многие другие детали подвержены усталостному изнашиванию (контактной усталости). Контактная усталость тем выше, чем больше твердость. Отношение предела контактной выносливости при числе циклов нагружения к твердости поверхности является постоянной величиной.

где К — коэффициент, зависящий от твердости и вида термической обработки.

Например, для цементованных (нитроцемен-тованных) сталей с твердостью принимает предел контактной выносливости, равный Однако опыт показывает, что при наличии дефектов диффузионного слоя (троостит-ной сетки, темной составляющей и др.) допустимые напряжения следует снизить на

Повышение предела контактной выносливости достигается упрочнением поверхности, повышением предела прочности материала, снижением нагрузки в зоне контакта, улучшением чистоты поверхности, а также повышением вязкости масла.

Перспективным, но еще недостаточно изученным методом повышения сопротивления износу является избирательный перенос при движении сочлененных деталей машин. При избирательном переносе в зоне контакта образуется тонкая металлическая пленка, обладающая свойствами: 1) многократной деформации без разрушения; 2) регенерации массы, так как частицы износа вновь схватываются с изнашиваемой поверхностью; 3) неокисляемости.

Такая пленка обычно образуется на основе меди при трении стали по бронзе в восстановительных смазках (глицерин, спиртоглицериновые смеси, консистентные смазки типа

В этом случае можно говорить о безызносных или малоизносных парах трения.

Для тяжелых нагруженных пар трения («сталь по стали», «сталь по чугуну») «возбуждение» избирательного переноса достигается металлоплакированием при использовании смазочных материалов, содержащих порошки мягких металлов ( и др.) или нанесением медных (латунных, бронзовых) покрытий на поверхности пары трения.

Узлы трения являются самыми массовыми и наиболее повреждаемыми, поэтому повышение долговечности этих узлов не только увеличит долговечность машин, но и высвободит значительные сварные и прочие ресурсы.

В табл. 17 приведены примеры различных видов отказов (внезапных, постепенных, конструктивных, эксплуатационных) некоторых деталей машин и конструкции и пути их устранения.

Технологическое требование. Сталь должна удовлетворять требованиям минимальной трудоемкости изготовления детали. В частности, сталь должна обладать хорошей обрабатываемостью резанием и давлением, и поэтому особое значение приобретает выбор правильного режима предварительной термической обработки заготовок, который назначается с учетом последующих процессов упрочнения.

Предварительная термическая обработка осуществляется в заготовительных цехах и сводится к нормализации (углеродистые стали), нормализации и высокому отпуску при (легированные стали), отжигу, изотермическому отжигу или высокому отпуску на твердость

Экономическое требование. Материал должен быть возможно дешевле, с учетом всех затрат, включающих не только стоимость стали, но и изготовление деталей и, наконец, их эксплуатационную стойкость в машинах, в которых они должны работать. В первую очередь нужно стремиться выбрать менее дорогую сталь, углеродистую или низколегированную. Стоимость этих сталей за 1 т. Дорогие же легированные конструкционные стали за содержащие дефицитные и другие элементы, следует применять лишь в тех случаях, когда более дешевые стали не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к изделию. Легированные стали применяют, когда нужно обеспечить требуемую надежность и долговечность (низкий порог хладноломкости, высокую прокаливаемость, сопротивление усталости, износостойкость и др.), получение особых свойств (коррозионной стойкости, жаропрочности, магнитных свойств и т. д.), улучшение технологических свойств (обработки резанием, штампуемости и т. д.), а также снизить расход металла на единицу готовой продукции или повысить мощность машины. Применение легированной стали должно быть технически и экономически целесообразно и оправданно в том случае, если оно дает экономический эффект за счет повышения долговечности деталей и уменьшения расхода запасных частей и, таким образом, экономии металлопроката.

(кликните для просмотра скана)

(кликните для просмотра скана)

Продолжение

Эти общие требования к материалу нередко противоречивы. Так, например, более прочные материалы менее технологичны, труднее обрабатываются при резании, холодной объемной штамповке, сварке и т. д. Решение при выборе материала обычно компромиссно между указанными требованиями к стали. В массовом машиностроении предпочитают упрощение технологии и снижение трудоемкости в процессе изготовления детали, некоторой потере свойств или увеличению массы детали. В специальных отраслях машиностроения, где проблема прочности (или проблема удельной прочности) играет решающую роль, выбор материала и последующая технология термической обработки должны рассматриваться из условия достижения только максимальных эксплуатационных свойств. Вместе с тем не следует стремиться к излишне высокой долговечности деталей по отношению к долговечности самой машины.

При решении вопроса о выборе стали для получения требуемых механических свойств и других характеристик также важно установить оптимальный вид упрочняющей термической или химико-термической обработки. Вопросы выбора материала и технологии термической обработки следует рассматривать применительно к конкретным производственным условиям. Один и тот же процесс термической обработки в различных производственных условиях приводит к разным экономическим результатам. На экономичность технологических процессов влияют объем выпуска продукции, использование энергоресурсов, возможность создания или применения оборудования и другие организационно-экономические условия производства.

При выборе упрочняющей обработки, особенно в условиях массового производства, предпочтение следует отдавать наиболее экономичным и производительным технологическим процессам, например поверхностной закалке при поверхностном или глубинном индукционном нагреве, газовой цементации, нитроцементации и т. д.

Для проведения упрочняющей обработки на каждую деталь составляется технологическая карта с указанием марки стали, режима термической обработки, применяемого оборудования, приспособления, контроля качества и т. д.

Обычно рассматривается возможность применения нескольких марок стали и способов упрочнения. Это позволяет выбрать наиболее рациональный вариант, обеспечивающий наряду с высокими эксплуатационными свойствами детали хорошую технологичность при выполнении механической и термической обработки.

Для выбора и проектирования наиболее экономичных вариантов термической и химико-термической обработки в настоящее время широко используется ЭВМ.