Файл: Кравченко, Петр Ефимович. Усталостная прочность учебное пособие.pdf

2. В процессе дробеструйного наклепа детали меняются физико­ механические свойства ее поверхностного слоя, в частности созда­ ется деформированный слой глубиной 0,2—0,4 мм, имеющий повы­ шенную твердость и лучше сопротивляющийся пластическим дефор­ мациям и разрушению. Поэтому нагрузка на упрочненную деталь может быть несколько повышена, а при работе с одинаковыми на­ грузками усталостное разрушение упрочненной детали произойдет позже, чем разрушение неупрочнявшейся детали. Тем самым повы­ шается надежность работы деталей и сокращается число их поло­ мок от усталости.

Названные причины повышения усталостной прочности деталей являются общими, не зависящими от того, каким из способов (осо­ бенно механических) произведено поверхностное упрочнение.

Промышленное использование дробеструйной обработки харак­ теризуется следующими примерами: она успешно применяется для упрочнения клапанных пружин двигателей ЗИС-110 и ЗИС-150. а также для упрочнения пружин подвесок автомобилей ЗИС-110, М-20 и «Москвич». Предел выносливости клапанных пружин повышается при этом в среднем на 50%, а для пружин с поверхностными де­ фектами — на 100—150%ь

Долговечность пружин после дробеструйной обработки возра­ стает примерно в .10 раз. Долговечность рессор (по данным стен­ довых испытаний) повышается для передних рессор автомобиля ЗИС-150 в 12 раз. для автомобиля М-20 — в 6 раз, для автомоби­ ля ЗИС-110 — в 4 раза.

Введение дробеструйной обработки в технологический процесс изготовления спиральных пружин и листовых рессор на Московском автозаводе им. Лихачева полностью исключило случаи предъявления рекламаций по этим деталям.

Широкое применение находит дробеструйная обработка и на заводах,выпускающих железнодорожный подвижной состав, где она внедрена как обязательная операция при изготовлении листовых рессор и витых пружин (ГОСТ 1425-53|. С введением дробеструй­ ного наклепа гарантийный срок, в течение которого завод обязан безвозмездно заменять вышедшие из строя пружины и рессоры, увеличен указанным ГОСТ с одного года до трех лет.

Эффект использования дробеструйной обработки можно иллю­ стрировать также на примере .упрочнения торсионных валов диа- ■ метром до 50 мм.

Стендовые испытания этих валов показали, что дробеструйная обработка повышает их долговечность примерно в 2,5 раза.

Не менее эффективной является и обкатка деталей стальными закаленными роликами. Обкатка осуществляется обычно при помо­ щи трехроликового приспособления, укрепляемого на суппорте то­ карного станка и перемещающегося 'вдоль оси детали вместе с суп­ портом.

Необходимое давление роликов на обкатываемую деталь соз­ дается винтовой тарированной пружиной. В ряде случаев, особен­ но когда требуются большие усилия обкатки, используются гидрав­ лические приспособления. При помощи таких приспособлений мо­ жет осуществляться обкатка коленчатых валов, вагонных и паро­ возных осей, торсионных вадов и т. д.

70

По данным стендовых испытаний, долговечность работы обка­ танных торсионных валов возрастает в 1,5—2 раза. Еше более ощу­ тимый эффект достигается при обкатке не только цилиндрической части, но и шлиц этих валов. Срок службы вагонных и паровозных осей после обкатки шеек и подступичных частей также повышается во много раз. [101

Значительное упрочнение, достигаемое при обкатке деталей ро­

когда упрочняемая деталь имеет концентрацию напряжений. В таких случаях резко повышается роль остаточных напряжений сжатия: она тем выше, чем благоприятнее условия для концентрации напря­

жений по опасному сечению детали.

В заключение укажем, что обкатка роликом или дробеструй­ ная обработка уничтожают те субмикроскопические надрезы, кото­ рые остаются даже после самой тщательной . обработки, и таким образом ликвидируют эти очаги концентрации напряжений на по­ верхности. Получающиеся вмятины от дроби дают меньшую кон­ центрацию напряжений, и благоприятное влияние наклепа перекры­ вает неблагоприятное влияние вмятин. Поэтому накатка и обдувка дробью делают излишней тщательную чистовую обработку, так как конечное состояние поверхности определяется указанными опера­ циями.

В подтверждение этого укажем, что даже при переменном кру­ чении (когда эффективность дробеструйной обработки несколько ниже, чем при переменном изгибе) предел выносливости полирован­ ных образцов, изготовленных из стали 45ХНМФА и прошедших дробеструйную обработку, на 20% превышает величину предела вы­ носливости таких же полированных, но не упрочнявшихся образцов (по данным автора).

Использование дробеструйной обработки возможно также с

целью уменьшения вредного влияния прокатной пленки и литейной корки. Наличие первой снижает предел выносливости углегсдистых и легированных сталей соответственно на 20—30% и 50—60%. По­ добно этому наличие литейной корки на отливках из легких сплавов понижает предел выносливости на 20—50% и на отливках из чугу­ нов— на 10—20%. Дробеструйная обработка таких поверхностей может полностью ликвидировать это снижение.

Сравнивая механические способы поверхностного упрочнения, можно отметить еще следующее: преимущество дробеструйной об­ работки по сравнению с обкаткой роликами состоит в том, что она применима для деталей любой формы. В свою очередь, обкатка ро­ ликами обеспечивает более высокую чистоту поверхности после уп­ рочнения и большую глубину наклепанного слоя.

Так при обкатке валков обжимных станов глубина наклепанно­ го слоя доходила до 20 мм, а средняя долговечность их повысилась

на 64% [13].

Термохимические методы являются давно извест­ ными и эффективными. Однако процессы упрочнения с помощью

71

этих методов весьма длительны (а потому и дороги) и могут при­ меняться не для всех сталей.

Цементации подвергаются детали из мягкой стали (0,1—0,2% С) путем науглероживания тонкого (от 0,5 до 2 мм) поверхностного слоя с последующей закалкой и отпуском. Предел выносливости при этом увеличивается на десятки и даже сотни про­ центов. С другой стороны, обезуглероживание поверхностного слоя (например, в пружинной стали) снижает предел выносливости вдвое и даже больше. По достижении определенной глубины цементиро­

ванного слоя (для различных сталей она различна и примерно со­ ставляет 0,9 мм) увеличение предела выносливости прекращается.

Азотирование — это процесс насыщения поверхности де­

тали азотом. Азотирование осуществляется путем нагрева детали в среде аммиака NH3 до температуры 520—650°. Скорость процесса существенно повышается при наличии алюминия.

Поэтому в машиностроении азотируются главным образом та­

его твердость и создаются высокие внутренние напряжения сжатия, которые не позволяют линиям сдвигов развиваться и превращаться в усталостные трещины. Поэтому в азотированных деталях усталост­ ные трещины чаще зарождаются под азотированным слоем. Это обстоятельство указывает на то, что в этих случаях должна быть обеспечена надлежащая прочность сердцевины детали. Азотирован­ ные детали менее чувствительны к концентрации напряжений и кор­ розии и имеют наиболее выраженное и устойчивое повышение пре­ дела выносливости. Однако самая легкая сошлифовка (на 0,05 леи), удаляя сплошной слой нитридов, значительно понижает сопротив­ ляемость коррозии, а следовательно, и усталости.

Из числа термических способов поверхностно­

го упрочнения весьма широкое распространение получила поверхностная закалка токами высокой ча­ стоты. Ее особенностью является малая продолжительность на­ грева, вследствие чего закалку принимает только поверхностный слой детали. Сердцевина же остается незакаленной и сохраняет свои первоначальные свойства.

Поверхностная закалка обеспечивает создание прочного поверх­ ностного слоя и значительных остаточных напряжений сжатия, вследствие чего износостойкость и усталостная прочность детали резко повышаются. Усталостная трещина и в этом случае начинает развиваться вне пределов упрочненного слоя. При правильном вы­

боре режима поверхностной закалки повышение выносливости мо­ жет достигать 100% и более. Наибольшее применение она находит для деталей автомобилей и тракторов. К числу этих деталей отно­ сятся: коленчатые и кулачковые валы, полуоси, поршневые пальцы,

шестерни и многие другие. Применение поверхностной закалки для

стальных деталей с неподвижно насаженными втулками повысило их выносливость в 2,5 раза [14].

Однако поверхностная закалка токами высокой частоты обла­ дает следующим существенным недостатком: проведение ее в местах резкого изменения формы детали часто затруднено или даже не­

возможно. Обрыв закаленного слоя в пределах этих напряженных

мест может привести к частичному или полному обесцениванию этого

72

процесса и даже снизить исходную величину предела выносливо­ сти вследствие местного отпуска и появления вредных растягиваю­ щих напряжений. Так, например, при испытании коленчатых валов авиационного двигателя переменным изгибом было обнаружено снижение их выносливости после поверхностной закалки на 33% [141. В этом случае поверхности коренных и шатунных шеек были зака­ лены и затем вместе с галтелями отшлифованы. Но зона закалки с твердостью 556 по Виккерсу не доходила до галтелей и твердость их поверхности составляла лишь 330 единиц. Разрушения валов происходили именно в местах этих незакаленных галтелей.

Следует также иметь в виду, что детали из малоуглеродистых сталей (с содержанием углерода до 0,30% 1 плохо или совсем не принимают закалку.

Поэтому упрочнение таких деталей следует производить меха; ническими способами, например, обкаткой роликами.

В заключение укажем, что все рассмотренные спо­ собы поверхностного упрочнения являются эффективны­ ми лишь применительно к деталям, работающим на пе­ ременные изгиб или кручение. Упроч­ нение же деталей, подверженных повгрВД торному растяжению — сжатию, ощу-

тимого результата не дает, что можно .. .. |®

объяснить следующим.

При растяжении — сжатии детали |ЦИ7

при переменном изгибе или кручении.

Приведенные в .настоящей главе некоторые способы повышения усталостной прочности деталей при их изго­ товлении не исключают, а, наоборот, предполагают борьбу за повышение усталостной прочности детали и в процессе ее эксплуатации. Это значит, что после изго­

товления детали на ее поверхности нельзя допускать ни­

каких добавочных концентраторов напряжений.

Отступление от этого правила может привести к

преждевременному разрушению детали, на что указы­

вают следующие примеры.

Шлифованный шатунный болт из высококачествен­ ной легированной стали (рис. 391 преждевременно раз­ рушился вследствие неудачно выбранного места для постановки клейма: клеймо явилось дополнительным

концентратором напряжений и дало начало усталост­ ной трещине.

73