Как влияет поверхностное упрочнение на чувствительность металла к концентраторам напряжений

Влияние различных методов поверхностного упрочнения на усталостную прочность Текст научной статьи по специальности « Технологии материалов»

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Пономаренко Игорь Владимирович, Дьяченко Светлана Степановна, Дощечкина Ирина Васильевна, Кондратенко И. И.

The influence of thermochemical and ion-plazma treatment on fatigue strength of structural low-carbon steels is considered. It has been shown that nitriding and carburizing increase significantly steels endurance limit but cause sharp metal embrittlement, which manifests itself in wide spread of у-1 values. Ion-plasma treatment has an insignificant effect on у-1 (the increase does not exceed 6 %) but у-1 values stability rises sharply.

Текст научной работы на тему «Влияние различных методов поверхностного упрочнения на усталостную прочность»

ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ МЕТОДОВ ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ НА УСТАЛОСТНУЮ ПРОЧНОСТЬ

И.В. Пономаренко, аспирант, С.С. Дьяченко, профессор, д.т.н., И.В. Дощечкина, доцент, к.т.н., И.И. Кондратенко, студент, ХНА-

Аннотация. Рассмотрено влияние химико-термической и ионно-плазменной обработки на усталостную прочность малоуглеродистых конструкционных сталей. Установлено, что азотирование и цементация существенно повышают предел выносливости сталей, однако эти виды обработки резко охрупчивают металл, что проявляется в значительном разбросе значений а_ь Ионно-плазменная обработка незначительно влияет на с—1 (прирост не превышает 6 %), однако стабильность значений С-1 резко возрастает.

Ключевые слова: азотирование, цементация, улучшение, ионная бомбардировка, усталостная прочность.

В связи с усложнением современных конструкций, ужесточением режимов эксплуатации, интенсификацией работы особое значение приобретает свойство материала сопротивляться усталостному разрушению. Это подтверждается статистическими данными — около 80 % разрушений деталей машин вызываются усталостными процессами [1]. Поэтому поиск возможностей повышения сопротивления материала усталостному разрушению является актуальной задачей. Ее решение может привести к повышению конструкционной прочности изделий, а следовательно, и надежности конструкции в целом.

Известно, что сопротивление материала циклическому нагружению значительно ниже статической прочности. При повышении временного сопротивления усталостная прочность растет, однако для высокопрочного состояния (СВ > 1300 МПа) вследствие охрупчивания наблюдается снижение с-[ [1].

Общеизвестным фактом является то, что усталостное разрушение начинается с поверхности детали, а следовательно, от состояния поверхностного слоя (шероховатости, наличия микротрещин, их размера, пористости и т.д.) будет зависеть предел выносливости материала. С другой стороны, наличие сжимающих внутренних напряжений на поверхности изделия способствует зна-

чительному повышению сопротивления усталостному разрушению [2].

В настоящее время для поверхностного упрочнения деталей, работающих в условиях трения и износа, широко используют различные методы ХТО. При этом в упрочненном поверхностном слое деталей возникают внутренние сжимающие напряжения, которые способствуют повышению усталостной прочности материала. Так, в цементируемых изделиях после закалки и низкого отпуска уровень поверхностных сжимающих напряжений составляет

300 МПа, при азотировании

600-800 МПа, вследствие чего, предел выносливости увеличивается в 1,3—1,5 раза [3].

В работе [4] было установлено, что обработка поверхности изделий из конструкционных сталей ионно-плазменным методом (КИБ) существенно (

на 24 %) повышает временное сопротивление и

на 42 % условный предел текучести. При этом значения показателей пластичности не только не снижаются, но даже в некоторых случаях повышаются. Значительное упрочнение (

24 %) регистрируется уже после ионной бомбардировки, предшествующей нанесению покрытий. Покрытие дополнительно повышает характеристики прочности

на 26 %. Влияние же ионно-плазменной обработки на предел выносливости сталей до сих пор не изучалось.

Цель и постановка задачи

Целью данной работы является изучение влияния различных видов поверхностного упрочнения

конструкционных сталей после разной термообработки на усталостную прочность, что позволит более точно прогнозировать долговечность изделий из этих материалов.

Для исследования были выбраны конструкционные цементуемые стали 18ХГТ и 20Х. Сталь 18ХГТ также используется как азотируемая. Для сравнения сталь 20Х также подвергалась азотированию, хотя твердость азотированного слоя для этой стали намного ниже, чем для 18ХГТ.

Из указанных сталей были изготовлены стандартные образцы для испытаний на усталость (ДСТУ 2444-94, диаметр 7,5 мм). После термообработки все образцы подвергались шлифованию и полированию с целью обеспечения необходимой шероховатости (ДСТУ 2413-94).

Режимы термической обработки для обеих сталей были одинаковыми:

1 — улучшение (закалка от 880 ± 10 °С после выдержки 0,5 ч, высокий отпуск 500 °С, 1,5 ч, охлаждение на воздухе);

2 — улучшение по режиму 1 + азотирование при 500 °С, 58 ч;

3 — цементация, 930 °С, 12 ч, подстуживание до 800-820 °С, закалка в масле, низкий отпуск 180200 °С, 2 ч;

4 — закалка от 880 ± 10 °С после выдержки 0,5 ч, низкий отпуск 180-200 °С, 2 ч;

Ионно-плазменная обработка была применена для образцов после улучшения (режим 1) и после закалки с низким отпуском (режим 4).

Как известно, нанесение покрытий методом КИБ включает два процесса — очистка поверхности, на которую наносится покрытие, и осаждение самого покрытия. Ионная очистка осуществляется путем распыления поверхностного слоя обрабатываемого материала ионами плазмы вакуумной дуги, ускоренными до энергии 0,5 — 3,0 кэВ в слое, примыкающем к подложке. При этом в процессе ионной бомбардировки поверхность подложки подвергается ионному травлению, удаляются различные загрязнения (сорбированные газы, оксиды и т.п.).

Бомбардировку ионами титана проводили в среде аргона при ускоряющем напряжении U = 1,0 кВ и токе дуги I = 150 А, давление газа в камере Р = 1,3-10-1 Па. Очистку осуществляли циклично: 2 мин. очистка + 1 мин перерыв + 2 мин. очистка. После чего охлаждение в вакуумной камере.

Испытания проводили на машине МУИ 6000 при симметричном цикле нагружения. Для каждого состояния исследовали в среднем до девяти образцов.

После испытаний анализировали вид кривых усталости, значения предела выносливости, их разброс.

Результаты исследований и их обсуждение

Как и следовало ожидать, оба исследованных вида ХТО (азотирование и цементация) повышают предел выносливости, хотя и охрупчивают металл [4]. Азотирование увеличивает с-1 для стали 18ХГТ на 9 %, для стали 20Х на 60,5 %. Ионная бомбардировка практически не изменяет с-1 для стали 18ХГТ и незначительно (на

6 %) повышает С-1 стали 20Х.

Усталостная прочность сталей после закалки и низкого отпуска выше, чем после улучшения (рис. 1, поз. 1 и 4), что вполне закономерно, поскольку после такой обработки Св = 1400 МПа, тогда как после улучшения 855-904 МПа в зависимости от стали [4]. Для стали 18ХГТ после закалки и низкого отпуска С-1 даже выше, чем после азотирования. Значения же с-1 для стали 20Х после такой обработки ниже, чем после азотирования (рис. 1, поз. 2 и 4).

Рис. 1. Предел выно после различно сокий отпуск; азотирование; ионная бомба

отпуск; 5 — цементацйя, закалка, нкзкий отпуск; п — сталь6!8ХГТ0 — ст$йь4 ^ЪХ20 650 580 430

Цементация с последующей закалкой и низким отпуском дает практически одинаковые значения С-1 для обеих сталей. Для 20Х С-1 осталось таким же, как после закалки с низким отпуском, для 18ХГТ С-1 повысилось на 11,5 %.

Читайте также:  Барабаны для металла midi

Обращает на себя внимание разброс значений С-1 после закалки и низкого отпуска. Так, для стали

18ХГТ при напряжении 525 МПа один из образцов разрушился через 2-105 циклов, тогда как другой при более высоком напряжении 580 МПа разрушился лишь после 2^106 циклов. Для 20Х один образец разрушился при 590 МПа через 3-105 циклов, тогда как для других образцов предел выносливости на базе 107 циклов равен 630 МПа.

Еще больший разброс значений С-1 регистрируется после цементации с последующей закалкой и низким отпуском. На рис. 2 белым цветом показаны минимальные, черным — максимальные значения с-1, что дает представление о нестабильности этой характеристики.

Рис. 3. Экспериментальные значения разрушающих напряжений для стали 18ХГТ после цементации, закалки и низкого отпуска

Рис. 2. Разброс значений предела выносливости сталей 18ХГТ и 20Х: 1 — закалка, низкий отпуск; 2 — цементация, закалка, низкий отпуск (сталь 18ХГТ); 3 — закалка, низкий отпуск; 4 — цементация, закалка, низкий отпуск (сталь 20Х)

Следует отметить, что усталостным испытаниям вообще свойственен разброс, поскольку разрушение от усталости в очень большой степени зависит от случайных процессов (наличия концентраторов напряжений, связанных как с состоянием поверхности образца, так и с микронеоднородностью структуры). Поэтому результаты испытаний носят вероятностный характер [1]. Однако после улучшения и азотирования разброс значений С-1 практически отсутствует.

Данные, приведенные на рис. 3 для стали 18ХГТ после цементации с последующей закалкой и низким отпуском, дают представление о характере разброса экспериментальных точек. Это свидетельствует об очень высокой чувствительности сталей в таком состоянии к случайным факторам, что может снизить надежность изделий в процессе их эксплуатации.

Чистота поверхности образцов для испытаний на растяжение и усталостную прочность различна, чем и объясняется значительно меньший эффект, достигнутый при усталостных испытаниях по сравнению со статическими. Образцы, подверженные ионной бомбардировке и используемые для определения статической прочности, имеют качество поверхности существенно выше по сравнению с образцами без ионной очистки. Для усталостных же образцов достаточно высокое качество поверхности достигается уже в процессе их подготовки, и ионная обработка практически его не меняет.

Поскольку усталостные испытания очень длительны и трудоемки, неоднократно делались попытки получить эмпирические формулы оценки предела выносливости по другим показателям механических свойств. В данной работе была предпринята попытка оценить значение С-1 расчетным путем по известным формулам

С -1 = 0,35-Св + 122; (1)

С-1 = 0,45-С0,2 + 122; (2)

С-1 = 0,25-Св + (1 + 1,35-у); (3)

После проведения расчетов были получены результаты, представленные в табл. 1. В колонках 1-4 приведены расчетные значения предела выносливости материала по формулам (1)-(4) соответственно, а в 5 — экспериментальные.

Таблица 1 Значения предела выносливости сталей 18ХГТ и 20Х после различной обработки. полученные расчетным и экспериментальным путем

Анализируя данные таблицы, следует отметить существенное отличие экспериментальных значений усталостной прочности от расчетных. При этом для исследуемых сталей в различных состояниях наиболее близкие значения экспериментальных и расчетных данных были получены при использовании разных формул. Так, для стали 20Х после улучшения, улучшения с ионной бомбардировкой и закалки с низким отпуском наиболее близкие значения предела выносливости к экспериментальным данным получены по формуле (1). В этом случае погрешность не превышает 14 %. Определяя С-1 по формуле (2) после улучшения с азотированием и цементацией с закалкой и низким отпуском, получаем погрешность 11,2 и 1,7 % соответственно. При использовании формулы (4) для определения с-1 стали 18ХГТ после улучшения с азотированием и цементации с закалкой и низким отпуском получим минимальное несоответствие расчетных и экспериментальных данных (6 и 12,8 % соответственно). Для остальных состояний этой стали с минимальной погрешностью предел выносливости можно определить, используя в каждом случае конкретную формулу, при этом отличие результатов составит от 3,4 до 19,6 % (табл. 1).

Большое отличие расчетных значений от экспериментальных может быть следствием различных причин, основными из которых, по нашему мнению, являются безусловная индивидуальность каждого образца и его испытаний, а также возможная погрешность формул, которые в последствии могут быть скорректированы.

Азотирование существенно повышает предел выносливости по сравнению с улучшением, но при этом резко охрупчивает материал.

Образцы после закалки с низким отпуском и цементации с закалкой и низким отпуском имеют более высокую усталостную прочность по сравнению с улучшенными образцами, но в то же время показывают большой разброс значений.

Ионно-плазменная бомбардировка после улучшения незначительно повышает о-1, но в то же время существенно увеличивает статическую прочность, не вызывая снижения пластичности. Указанную обработку можно рекомендовать для средненагруженных циклическими напряжениями деталей автомобилей, например, шатунов.

Существующие зависимости между пределом выносливости и показателями статической прочности (временное сопротивление, условный предел текучести) и пластичности (относительное сужение) нуждаются в корректировке.

1. Дяченко С.С. Фiзичнi основи мщносп та пла-

стичносл матерiалiв: Навч. поабник. — Хар-шв: Вид-во ХНАДУ, 2003. — 226 с.

2. Бернштейн М.Л., Займовский В.А. Механиче-

ские свойства металлов. — М.: Металлургия, 1979. — 496 с.

3. Dyachenko S.S., Sverdlin O.V., Zolotko V.A.,

Kaftanov S.V. Acceleration of Saturation Process and Improving Nitrided Layer Properties // Indstrial Heating. — 1998. — V. 65. — №9. -P. 99-105.

4. Дощечшна 1.В., Дяченко С.С., Пономарен

ко 1.В., Аксьонова С.1., Лобанов В.К. Вплив поверхневого змщнення на мехашчш властивосл виробiв // Автомобильный транспорт / Сб. научн. трудов. — 2005. -Вып. 16. —

Рецензент: М.А. Подригало, профессор, д.т.н., ХНАДУ.

Термообработка Сталь 18ХГТ

Улучшение 421 444 301 428 460

Улучшение + ИБ 480 563 347 512 460

Улучшение + азотирование 453 548 238 474 505

Закалка + низкий отпуск 611 661 418 698 520

Цементация + закалка + низкий отпуск 476 459 270 506 580

Улучшение 438 478 314 452 405

Улучшение + ИБ 489 569 355 524 430

Улучшение + азотирование 476 577 254 506 650

Закалка + низкий отпуск 612 647 406 700 580

Цементация + закалка + низкий отпуск 539 570 321 595 580

Источник

Влияние параметров поверхностного слоя детали на усталостную прочность и контактную жёсткость

Усталостная прочность – это свойство материала, не разрушаясь, сопротивляться возникновению и развитию трещин при действии повторно-переменных напряжений.

Механизм усталостного разрушения основан на распространении в поверхностном слое многократно повторяющихся высоких контактных напряжений. В результате действия этих напряжений зарождаются микротрещины, развитие которых приводит к выкрашиванию частиц металла (рис. 11).

Так возникает контактная усталость (питтинг). Изношенная поверхность покрывается кратерами с рваными краями, которые окаймлены грубой поверхностью.

Рис. 11. Питтинг боковых поверхностей зубьев шестерни

Образующиеся кратеры диаметром от сотых долей до нескольких миллиметров увеличиваются в размерах в процессе работы деталей, вызывая шелушение поверхности. Питтинг, как правило, наблюдается вблизи полюса зацепления зубьев шестерен. При этом материал отслаивается на площади, значительно превышающей площадь контакта.

При рассмотрении механизма усталостного изнашивания необходимо учитывать тот факт, что разрушение пластичных и хрупких тел различно. У пластичных тел оно начинается в глубине поверхностного слоя, а у хрупких – на поверхности в местах концентраторов напряжений.

Для повышения контактной выносливости необходимо упрочнять поверхностный слой детали на глубину, превышающую глубину действия максимальных касательных напряжений от внешней нагрузки, и формировать в поверхностном слое тангенциальные остаточные напряжения сжатия, которые оказывают сопротивление сдвиговым деформациям. Кроме того, эффективным технологическим мероприятием, направленным на снижение усталостного изнашивания, является нанесение пластичных покрытий на поверхности деталей, которые играют демпфирующую роль. Покрытия позволяют уменьшить значения тангенциальных сил в зоне контакта и глубину распространения максимальных напряжений.

Читайте также:  Хранение обрезков листового металла

Механизм усталостного разрушения металла в условиях знакопеременного нагружения носит иной характер и завершается усталостным изломом деталей. Излому предшествует образование усталостных трещин, которые зарождаются чаще всего в местах концентрации напряжений (случайные царапины, канавки, выточки, галтели, микродефекты, стыки разных структур и т. п.). При продолжающемся действии переменных напряжений усталостная трещина интенсивно развивается. С её ростом уменьшается поперечное сечение детали, воспринимающее нагрузку, и вследствие недостатка его прочности по трещине происходит долом детали (рис. 12).

Рис. 12. Усталостный излом: 1 – следы фронта трещины; 2 – излом

Уменьшению прочности сечения также способствует снижение физикомеханических свойств материала детали, которое происходит вследствие циклически изменяющихся во времени напряжений.

Необходимо отметить, что в зависимости от свойств материала и характера приложения нагрузки изломы в месте разрушения детали могут быть вязкими и хрупкими. Примечательно, что усталостные изломы происходят при напряжениях ниже предела текучести.

Усталостная прочность деталей машин оценивается пределом выносливости σ-1, представляющим собой наибольшее по абсолютной величине (амплитуде) напряжение цикла, при котором материал не разрушается при заданном количестве циклов нагружения.

По числу N нагрузочных циклов усталость подразделяют на малоцикловую при N ≤ 5 · 10 4 и многоцикловую при N > 5 · 10 4 . Зависимость между числом циклов до разрушения и амплитудой максимальных разрушающих напряжений цикла выражается кривой усталости материала.

Следует отметить, что существенное влияние на предел выносливости оказывают концентраторы напряжений и состояние поверхности деталей.

Увеличение высоты шероховатости поверхности детали снижает усталостную прочность (рис. 13). Очевидно, это обусловлено изменением характеристик (например, радиуса закругления) впадин микропрофиля. Чем глубже и острее впадина, тем выше концентрация напряжений, а следовательно, быстрее зарождается усталостная трещина.

Рис. 13. Влияние шероховатости Rz на предел выносливости σ-1

Чувствительность поверхности детали к концентраторам напряжений растёт с повышением прочности материала. В этой связи шероховатость поверхности после механической обработки оказывает на усталостную прочность детали тем большее влияние, чем выше предел прочности её материала.

Усталостная прочность значительно повышается за счет упрочнения металлов и формирования остаточных напряжений сжатия в поверхностном слое деталей. Это достигается технологическими методами упрочнения, такими как термическая обработка (закалка, в том числе токами высокой частоты), химико-термическая обработка (цементация, азотирование, алитирование и др.), обработка поверхностным пластическим деформированием (дробеструйная обработка, обкатывание поверхности детали роликами или шарами и др.).

Необходимо отметить, что несомненным преимуществом по сравнению с термическими и химико-термическими методами упрочнения обладают методы поверхностного пластического деформирования, так как в процессе деформационного упрочнения происходит завальцовывание поверхностных микродефектов (микротрещины, риски и др.) и формирование в поверхностном слое остаточных напряжений сжатия. Подтверждением этого являются следующие факты. Остаточные напряжения сжатия в сочетании с наклёпом, созданным при обкатывании шаром, повышают на 30…60% сопротивление усталостному изнашиванию при трении качения деталей. Более того, обкатывание галтелей ступенчатых валов, например коленчатых, является единственным радикальным технологическим мероприятием повышения усталостной прочности деталей, работающих в условиях знакопеременного нагружения.

Доля деформационного упрочнения и остаточных напряжений в увеличении предела выносливости различна и зависит как от механических свойств материала детали, так и от её конструктивных особенностей.

Рис. 14. Влияние глубины наклёпа (а) и степени наклёпа (б) на относительную величину предела выносливости

В повышении усталостной прочности пластичных сталей главную роль играет упрочнение. В этом случае предел выносливости может возрасти на 15…40% (рис. 14). Из графиков видно, что при увеличении глубины наклёпанного слоя hэ и степени наклёпа Hµ /Hµ исх предел выносливости возрастает до 20% в каждом случае.

Благоприятное влияние наклёпа объясняется созданием упрочнённого поверхностного слоя металла, затрудняющего возникновение и развитие усталостных микротрещин.

У упрочененных обкатыванием деталей при работе в условиях знакопеременного нагружения усталостная трещина зарождается под упрочнённым слоем, где напряжения от внешних сил ещё достаточно высоки, а остаточные напряжения сжатия равны нулю или меняют знак. Кроме того, в этом месте прочностные свойства металла значительно ниже, чем в поверхностном слое (рис. 15). Из очага разрушения трещина развивается по двум направлениям с различной скоростью. В сторону неупрочнённого материала она развивается с большей скоростью v2, чем в упрочнённой зоне v1. Упрочнённый слой является как бы «каркасом», сдерживающим продвижение трещины.

Рис. 15. Схема, поясняющая область зарождения усталостной трещины: 1 – напряжения от внешней нагрузки; 2 – остаточные напряжения

При этом развитие трещины за счет наклепа тормозится не только в упрочнённом слое, но и в неупрочнённой части сечения детали, так как сердцевина не имеет контакта с окружающей средой, т. е. усталостное разрушение происходит как бы в условиях вакуума, что существенно снижает интенсивность изнашивания.

С учетом вероятного места зарождения усталостной трещины назначаются режимы обработки поверхностным пластическим деформированием, параметры которой позволяют наиболее эффективно оказывать сопротивление усталости в каждом конкретном случае. Когда разрушение детали начинается на некотором расстоянии от поверхности, т. е. в глубине поверхностного слоя, то для увеличения усталостной прочности имеет большое значение глубина упрочненного слоя hэ. Если разрушение детали начинается непосредственно на её поверхности, то решающее влияние оказывает интенсивность наклёпа uгр.

Повышение усталостной прочности путем поверхностного упрочнения во многом обусловлено структурным состоянием детали. Связано это с различной способностью структур металла к упрочнению. Поэтому наибольшей усталостной прочностью обладает структура мартенсита, наименьшей – структура сорбита.

Однако наклёп поверхностного слоя оказывает различное влияние на усталостную прочность в зависимости от температуры эксплуатации детали. При небольших температурах нагрева, например в условиях работы компрессора, усталостная прочность повышается с увеличением наклёпа. Однако при высоких температурах нагрева, характерных, например, для цилиндропоршневой группы, наклёп поверхностного слоя нежелателен, так как он снижает усталостную прочность, а также сопротивление металла термической усталости. Объясняется это тем, что при высоких температурах атомы металла, находящиеся в деформированном слое, быстрее перемещаются (диффузируют), чем атомы недеформированного металла. Диффузионная подвижность атомов приводит к разупрочнению поверхностного слоя вследствие выгорания легирующих элементов и усиления окислительных процессов на поверхности при эксплуатации. В этой связи рекомендуется предельное уменьшение глубины упрочненного слоя для деталей, работающих длительное время при высоких температурах и при воздействии остаточных напряжений растяжения.

Усталостная прочность наклёпанных образцов начинает уменьшаться при рабочей температуре, превышающей порог жаростойкости материала (t = 650°C). Поэтому при работе в условиях повышенных температур остаточные напряжения оказывают большее по сравнению с наклёпом влияние на усталостную прочность.

Остаточные напряжения оказывают влияние на усталостную прочность тем больше, чем выше коэффициент неравнопрочности η сталей. Поскольку этот коэффициент неодинаков для различных материалов, то и влияние остаточных напряжений также будет различным. Например, с увеличением хрупкости металла влияние остаточных напряжений возрастает. Кроме того, они являются ответственными за увеличение предела выносливости σ-1 деталей при наличии конструктивных концентраторов напряжений, таких как шпоночные пазы, галтели и др.

При циклическом нагружении значительного макропластического течения материала не происходит и остаточные напряжения, постепенно уменьшаясь (поскольку в условиях циклического нагружения при любой температуре остаточные напряжения релаксируют), будут действовать на протяжении всего срока службы детали. При этом остаточные напряжения сжатия в поверхностном слое повышают предел выносливости, а растяжения, наоборот, понижают предел выносливости:

Читайте также:  Кольцо властелин колец металл

(3.4)

где σ-1исх – предел выносливости без остаточных напряжений; σост – величина остаточных напряжений; k – коэффициент, зависящий от материала.

Рассмотрим влияние остаточных напряжений на усталостную прочность на конкретном примере. При вращении вала, в теле которого отсутствуют остаточные напряжения, имеет место симметричный цикл изменения напряжений (рис. 16). Если в поверхностном слое вала имеются остаточные напряжения, то они в пределах упругих деформаций будут накладываться на напряжения от внешней нагрузки. В результате возникает несимметричный цикл изменения напряжений, среднее напряжение которого равно по величине и знаку остаточным напряжениям. На диаграмме (рис. 16) показано изменение напряжений при наличии в поверхностном слое детали остаточных напряжений растяжения; видно, что время действия и уровень напряжений растяжения значительно превосходят время действия и уровень напряжений сжатия. В этом случае поверхностный слой детали в основном работает на растяжение. Если учесть, что у большинства металлов механические показатели при сжатии выше, чем при растяжении, то деталь, у которой в поверхностном слое образовались остаточные напряжения растяжения, находится в весьма невыгодных условиях в процессе эксплуатации. Кроме того, значения максимальных остаточных напряжений растяжения, возникающих после операции шлифования, часто превосходят предел текучести материала. Это приводит к появлению микротрещин, которые в дальнейшем служат концентраторами напряжений. Необходимо отметить, что с ростом твёрдости металла происходит увеличение различия механических свойств материала при растяжении и сжатии и, как следствие, возрастает роль остаточных напряжений в повышении усталостной прочности.

Таким образом, формирование остаточных напряжений сжатия на этапе финишной обработки является предпосылкой повышения предела выносливости для большинства материалов.

Рис. 16. Диаграмма изменения напряжений в поверхностном слое при знакопеременном нагружении: 1 – симметричный цикл; 2 – несимметричный цикл

Влияние параметров поверхностного слоя детали на контактную жёсткость

Контактная жесткость является одной из важнейших эксплуатационных характеристик, определяющих долговечность деталей, входящих в соединения с зазором или натягом, таких как плунжерные и золотниковые пары гидравлических насосов, дорожки качения роликовых опор, ролик и цапфа крестовины, вал и ступица и т. п. Она во многом определяет качество сборки деталей. Контактная жесткость обусловливает сохранение в процессе работы расчетных значений зазоров и натягов и таким образом влияет на характер и интенсивность изнашивания контактных поверхностей.

Контактная жесткость – это способность контактных поверхностей сопротивляться действию деформирующих сил. Сближение под нагрузкой поверхностей, возникающее вследствие деформации микронеровностей, в большинстве случаев используют в качестве характеристики контактной жесткости. Она обусловлена как физико-механическими свойствами материала поверхностного слоя, так и геометрическими параметрами поверхностей сопряженных деталей, которые формируются в ходе технологического процесса восстановления изделий, особенно на финишных операциях.

От метода финишной обработки деталей зависят относительная опорная длина микропрофиля рабочей поверхности, шаг микропрофиля, радиус закругления вершин неровностей, взаимное направление следов обработки в соединении, поверхностная твердость и остаточные напряжения в поверхностном слое изделий.

Реальные детали имеют шероховатую поверхность, во многих случаях волнистую и с погрешностями геометрической формы, что приводит к дискретному характеру контакта в соединениях. В результате фактическая площадь касания сопряженных поверхностей составляет незначительную часть ее номинального значения. При любых, даже незначительных нагрузках, напряжения на отдельных микронеровностях достигают величины, которая вызывает их пластическую деформацию (рис. 17).

Рис. 17. Схема деформации отдельной микронеровности

Величина деформации а микронеровностей, которая в общем случае представляет сумму упругой ау и пластической апл составляющих, зависит от относительной опорной длины профиля. Стремление увеличить опорную длину профиля за счет снижения шероховатости путем обработки поверхности шлифованием абразивными кругами приводит к недостаточному увеличению контактной жесткости, поскольку ее помимо высоты микронеровностей определяет также их форма. Сформированные шлифованием микронеровности обладают малыми радиусами закругления вершин и большими углами наклона сторон элементов профиля β, а значит, такая поверхность характеризуется недостаточной несущей способностью. Контактная жесткость несколько увеличивается при шлифовании кругами из синтетических сверхтвердых материалов, так как увеличиваются радиусы закругления и уменьшаются углы наклона β. Еще большее увеличение контактной жесткости происходит после алмазного выглаживания и обкатывания, формирующих плавный рельеф с большой опорной длиной поверхности.

Упрочнение снижает контактные деформации поверхностей тем больше, чем выше твердость материала (рис. 18). Происходит это главным образом за счет уменьшения доли пластической составляющей в общей деформации. Это снижение обусловлено как непосредственным изменением твердости поверхности, так и изменением способности материала к упрочнению.

Рис. 18. Зависимость деформации микронеровностей от удельного давления в контакте: 1 – ненаклёпанного образца; 2 – наклёпанного образца

Остаточные напряжения в поверхностном слое также оказывают определенное влияние на контактную жесткость. Известно, что остаточные напряжения сжатия увеличивают контактную жесткость, а следовательно, и прочность соединений с натягом. Происходит это за счет увеличения плотности стыка, которое обусловлено процессом «приспосабливания» микрогеометрии поверхностей сопряженных деталей. Процесс «приспосабливания» представляет собой затекание металла одной из контактных поверхностей во впадины на другой поверхности. Процесс приспосабливания обусловлен главным образом действием остаточных напряжений сжатия, а его длительность сокращается с увеличением температуры. Следует отметить, что остаточные напряжения сжатия также увеличивают сопротивление поверхности пластическому деформированию в процессе трения качения, а напряжения растяжения, наоборот, снижают сопротивление.

При высоких требованиях к контактной жесткости очевидна необходимость формирования того или иного уровня и знака остаточных напряжений. Однако главная трудность при установлении влияния собственно остаточных напряжений на контактную жесткость заключается в способе формирования различных по величине и знаку остаточных напряжений в поверхностном слое детали. Обычно это достигается механической обработкой различными технологическими методами при разных режимах. Но в этом случае у деталей наряду с формированием различного уровня остаточных напряжений происходит изменение микрорельефа поверхности, ее структуры и твердости, которые оказывают свое различное влияние на конечный результат. Для того чтобы устранить влияние указанных факторов и определить роль собственно напряжений, можно создавать напряжения запрессовкой в области упругой деформации деталей. Так, запрессовка вставки 1 в обойму 2 (рис. 19) с разным натягом Δ позволяет получить различный уровень напряжений, сохраняя при этом неизмененными шероховатость поверхности, структуру и твердость материала деталей в прессовом соединении. При запрессовке возникают напряжения сжатия во вставке 1 и растяжения – в обойме 2.

Контактная жесткость определяется по ширине остаточного отпечатка b, оставленного индентором 3 в виде ролика на напряженной поверхности обоймы и вставки (рис. 20). Результаты измерений ширины отпечатка показали, что деформация растяжения (в радиальном направлении) от воздействия ролика увеличивается с возрастанием уровня напряжений растяжения (кривая 1) и уменьшается с возрастанием уровня напряжений сжатия (кривая 2).

Рис. 19. Схема нанесения отпечатка на напряжённую поверхность: 1 – вставка; 2 – обойма; 3 – индентор

Рис. 20. Ширина остаточного отпечатка b в зависимости от предварительных напряжений, заданных натягом Δ: 1 – обойма; 2 – вставка

В общем случае влияние остаточных напряжений на контактную жесткость усиливается или, наоборот, ослабляется за счёт действия других параметров поверхностного слоя (наклёпа, особенностей структуры и т. п.).

Источник

Поделиться с друзьями
Металл