Повышение циклической прочности

Повышение циклической прочности

Физические основы явлений усталости еще не изучены в степени, позволяющей создать стройный расчет деталей на циклическую прочность. Отсутствие основополагающих физических принципов заставляет идти по пути накопления экспериментальных данных, которые не всегда позволяют произвести достоверный расчет, тем более, что данные, получаемые различными экспериментаторами, имеют большой разброс, а зачастую, вследствие различия методики испытаний, несопоставимы и даже противоречивы. Из-за наслоения новых данных, введения поправочных коэффициентов, а также многообразия подлежащих учету факторов расчетные формулы все более усложняются.

И этих условиях большое значение имеет понимание общих закономерностей циклической прочности. Осмысленное проектирование, основанное на знании этих закономерностей, дает порой гораздо больше, чем расчет, и позволяет избежать ошибок, которые в последующем пришлось бы исправлять, например, приемами упрочняющей технологической обработки.

Конструктор должен знать и уверенно применять зарекомендовавшие себя на практике технологические и конструктивные способы повышения циклической прочности.

Во многих случаях можно устранить первопричину и добиться если не полного исключения циклических нагрузок, то хотя бы их уменьшения. Даже в машинах определенно циклического действия можно достичь значительного уменьшения максимальных циклических напряжений и их амплитуды, а также смягчения динамичности нагрузки.

Одним из основных способов является повышение упругости деталей в направлении действия нагрузок и введение упругих связей между деталями, передающими и воспринимающими нагрузку.

При циклическом крутящем моменте можно сгладить пики напряжений и, следовательно, уменьшить амплитуду цикла введением упругих муфт между деталями, воспринимающими крутящий момент. Установка пружинных амортизаторов между валами и зубчатыми колесами снижает пики напряжений в зубьях и делает работу зубчатых передач плавной и спокойной. Переход с подшипников качения на подшипники скольжения, например, в шатунно-кривошипных механизмах, снижает пики нагрузок благодаря амортизирующему действию масляного слоя. Работа, затрачиваемая на вытеснение масла из зазора в подшипниках, поглощает импульс действующих сил, что способствует снижению нагрузок на механизм.

Другой способ заключается в снижении коэффициента амплитуды напряжений путем наложения постоянной нагрузки. Как видно из диаграммы Смита (см. рис. 164), повышение среднего напряжения цикла существенно увеличивает предел выносливости. Этот прием широко применяют в конструкции циклически нагруженных болтовых соединений, придавая болтам предварительную затяжку. При достаточно большой затяжке удается практически полностью устранить циклическую составляющую и сделать нагрузку статической.

Циклические нагрузки, возникающие в валах, можно в некоторых случаях (не ведущие ходовые колеса, промежуточные зубчатые колеса) устранить установкой вращающихся деталей на осях.

Во многих случаях возникновение высоких знакопеременных нагрузок связано с появлением резонансных колебаний в частях механизма. Этот опасный вид циклической нагрузки предотвращают с помощью демпферов (пружинных, маятниковых, гидравлических или фрикционных). Вибрации машин и агрегатов, являющиеся источниками знакопеременных нагрузок, устраняют или смягчают их подвеской на виброизолирующих и виброгасящих амортизаторах.

В ряде случаев полного или почти полного устранения циклических нагрузок можно достичь повышением точности изготовления деталей и их опор. Примером может служить устранение статического и динамического дисбаланса быстровращающихся роторов, вызывающего переменные нагрузки в опорах и корпусах. Повышение точности изготовления зубьев колес (уменьшение погрешностей шага и толщины зуба, искажений профиля и т. п.) устраняет циклические нагрузки, порождаемые этими погрешностями.

Все меры, способствующие уменьшению номинального напряжения, увеличивают циклическую прочность. К этим мерам относятся рациональная расстановка опор, устранение невыгодных случаев нагружения, увеличение сечений детали на участках действия циклических напряжений, увеличение площади соприкосновения поверхностей (при циклических контактных напряжениях).

Правила рационального конструирования, применяемые для статически нагруженных конструкций, не только сохраняют силу, но и приобретают особое значение для циклически нагруженных конструкций.

В случаях, когда не удается ликвидировать циклические нагрузки или снизить циклические напряжения, следует прибегать к специальным способам повышения сопротивления усталости.

Эти способы можно разделить на технологические и конструктивные. В первом случае упрочнения достигают специальными приемами обработки, во-втором — приданием деталям форм, благоприятных для циклической прочности.

Технологические способы повышения циклической прочности

Металлургические факторы. Большое влияние на циклическую прочность оказывает технология выплавки стали. Спокойные стали (раскисленные алюминием) имеют более высокие пределы выносливости, чем кипящие (раскисленные Мn и Si). Повышенной циклической прочностью обладают стали вакуумной плавки, а также полученные методами электронно-лучевого и плазменного переплава или электродугового переплава под слоем синтетического шлака.

Термообработка. Упрочняющая термообработка повышает предел выносливости примерно пропорционально увеличению показателей статической прочности (рис. 191). Наибольший эффект дает закалка с низким отпуском, увеличивающая предел выносливости в 2—2,5 раза по сравнению с нетермообработанной сталью (кривые 4).

Влияние термической обработки на циклическую прочность

Высокую циклическую прочность обеспечивает изотермическая закалка на бейнит, а также термомеханическая обработка (особенно НТМО).

При поверхностной закалке (закалка с нагревом ТВЧ, газопламенная закалка) и химико-термической обработке (цементация, нитроцементация, азотирование) упрочнение обусловлено главным образом возникновением в поверхностном слое остаточных сжимающих напряжений вследствие образования структур большого удельного объема (мартенсит при цементации и закалке с нагревом ТВЧ, нитриды и карбонитриды при нитроцементации и азотировании), чем структуры основного металла. Расширение поверхностного слоя тормозит сердцевина, сохраняющая исходную перлитную структуру, вследствие чего в поверхностном слое возникают двухосные (а в цилиндрических деталях — трехосные) напряжения сжатия. В нижележащих слоях развиваются реактивные растягивающие напряжения, имеющие небольшое значение вследствие незначительности сечения термически обработанного слоя сравнительно с сечением сердцевины.

Создание предварительных напряжений сжатия уменьшает коэффициент амплитуды и смещает средние напряжения циклов в область сжатия, что повышает предел выносливости.

Повышенная поверхностная твердость, достигаемая термической и химико-термической обработкой, кроме того, предупреждает потерю прочности в результате износа, случайных царапин и повреждений. Такой же результат, как цементация, дает закалка сталей пониженной прокаливаемости (МП), например, сталей типа 55 ПП. При охлаждении с 800°С в 10%-ном растворе NaCl поверхностный слой закаливается на мартенсит (HRC 58—62) на глубину 1—1,5 мм. Сердцевина приобретает сорбитную структуру (HRC 30—35). Способ выгодно отличается от цементации производительностью и дешевизной и обеспечивает более мелкое зерно, чем цементация.

Оптимальные для циклической прочности толщины слоя при цементации 0,4—0,8 мм, нитроцементации и азотировании 0,3—0,5 мм, закалке с нагревом ТВЧ и газовой закалке 2—4 мм.

Упрочняющая обработка должна охватывать все участки поверхности с концентраторами напряжений (рис. 192, II). При неполной обработке (рис. 192, I) на границах обработанных и необработанных зон возникают скачки напряжений, снижающие прочность.

Поверхностная закалка

Газовая закалка зубьев зубчатых колес по всему контуру, включая основание впадины (рис. 193, кривая 2), повышает предел выносливости по сравнению с исходной конструкцией из необработанной стали (кривая I) в 1,85 раза (с 260 до 480 МПа). Закалка же только рабочей поверхности зубьев (кривая 3), напротив, снижает прочность по сравнению с исходной в 1,2 раза.

Циклическая прочность зубьев на изгиб

Из перечисленных выше способов наиболее эффективно азотирование, которое практически полностью устраняет влияние концентраторов напряжений. Для азотированных деталей коэффициент q чувствительности к концентрации напряжений близок к нулю (т. е. эффективный коэффициент концентрации напряжений kσ ≈ 1). Азотирование почти не вызывает изменения формы и размеров деталей. Это позволяет во многих случаях устранить заключительное шлифование и сопутствующие ему дефекты, снижающие прочность. Кроме того, азотированный слой обладает повышенной коррозие- и термостойкостью. Твердость и упрочняющий эффект в противоположность обычной термообработке сохраняются до высоких температур (500—600°С). Сочетание этих качеств делает азотирование ценным способом обработки деталей, работающих при повышенных температурах и подвергающихся высоким циклическим нагрузкам и износу (коленчатые валы, тяжелонагруженные зубчатые колеса). Из-за сложности защиты отдельных участков от насыщения азотом, а также во избежание скачков напряжений на переходных участках детали обычно азотируют кругом.

Качество обработки. Поверхности деталей, работающих при высоких циклических нагрузках, следует обрабатывать с минимальной, экономически приемлемой шероховатостью. Отделочные операции (полирование, притирка, суперфиниширование) способствуют повышению сопротивления усталости особенно у деталей из прочных и твердых материалов.

Шлифование на обычных режимах (скорость резания 30—50 м/с) вызывает серьезные повреждении поверхностного слоя. Наиболее частые дефекты шлифованных поверхностей — микротрещины и прижоги — резко снижают циклическую прочность.

Для циклически нагруженных деталей применяют микрошлифование — шлифование мелкозернистыми кругами при небольших скоростях резания (3—5 м/с) и ленточное шлифование (лентами, шаржированными абразивными микропорошками). В отличие от шлифования абразивными кругами, при котором происходят срезание и вырыв зерен, при ленточном шлифовании преобладают процессы сглаживания и пластической деформации микронеровностей.

В качестве заключительной операции целесообразно применять полирование под давлением, которое благоприятно воздействует на структуру поверхностного слоя. Под действием давления и теплоты, выделяющейся при трении, происходит смыкание кристаллитов, разобщенных действием предшествующей механической обработки. Поверхностный слой уплотняется. Острые кромки микронеровностей сглаживаются, а впадины и микротрещины затягиваются Увеличение гладкости поверхности повышает коррозионную стойкость деталей.

На полированной поверхности легче обнаружить дефекты поверхностного слоя (флокены, волосовины, закалочные трещины и др.).

Ввиду этого ответственные детали, работающие при высоких циклических нагрузках, полируют кругом, а не только по посадочным поверхностям и поверхностям трения.

Силовое полирование осуществляют под давлением 10—20 МПа притирами — колодками из бронзы или чугуна, рабочую поверхность которых шаржируют микропорошками из абразивных материалов (карборунда, карбида бора, боразона). Для самой тонкой доводки применяют мягкие притиры (баббит, древесину, кожу, замшу, фетр) с полировальными пастами типа ГОИ. Окончательную отделку ведут без абразивов, только с керосиновой или лигроиновой смазкой.

Трущиеся поверхности для увеличения износо- и коррозиестойкости полируют с коллоидальным графитом или дисульфидом молибдена.

Упрочнение поверхностной пластической деформацией. Один из главных способов повышения циклической прочности — поверхностное пластическое деформирование (ППД), т. е. наклеп поверхностного слоя на глубину s = 0,2—0,8 мм с целью создания в нем остаточных напряжений сжатия.

При наклепе поверхностный слой расплющивается. Если бы он мог свободно удлиняться, то отделился бы от основного металла (рис. 194, а).

Схема возникновения напряжений сжатия в наклепанном слое

Но удлинению препятствует сила сцепления с нижележащими слоями металла. Вследствие этого в наклепанном слое возникают двухосные (у цилиндрических деталей — трехосные) напряжения сжатия, а в толще основного металла — незначительные реактивные напряжения растяжения (рис. 194, б).

У стальных деталей, подвергнутых поверхностной закалке с низким отпуском, напряжения сжатия возникают также в результате происходящего при наклепе превращения остаточного аустенита в мелкоигольчатый мартенсит деформации.

Складываясь с рабочими напряжениями растяжения, остаточные напряжения сжатия уменьшают, а при достаточно большом значении компенсируют их.

В деталях, подвергающихся симметричному знакопеременному изгибу (коэффициент амплитуды а =1), при котором поверхностные слои периодически испытывают напряжения растяжения и сжатия, наложение напряжений сжатия снижает коэффициент амплитуды, что, как известно, повышает предел выносливости (см. рис. 164). Коэффициент амплитуды для поверхностного слоя с остаточными напряжениями сжатия σсж равен

Коэффициент амплитуды для поверхностного слоя с остаточными напряжениями сжатия

где σmax — максимальное напряжение симметричного цикла.

Коэффициент амплитуды

Величина a в функции σсжmax, показана на рис. 195. Даже относительно небольшое напряжение сжатия (σсж = 0,5σmax) снижает коэффициент амплитуды до 0,65 исходного значения. При σсжmax = 2,2 коэффициент амплитуды становится равным 0,3, что делает нагрузку практически статической (см. рис. 164).

Возникающие при наклепе множественные искажения структуры (деформация зерен, местные пластические сдвиги) эффективно тормозят развитие усталостных повреждений и расширяют область существования нераспространяющихся трещин (рис. 196), увеличение которой и обусловливает повышение разрушающего напряжения (кривые 1). Порог трещинообразования (кривые 2) повышается мало.

Усталостная прочность образца из стали 40ХН до и после наклепа

Упрочнению ППД поддаются стали улучшенные, закаленные, цементованные и азотированные, высокопрочные и ковкие чугуны и титановые сплавы. Хуже поддаются упрочнению хрупкие материалы (серые чугуны). Наклепу можно подвергать ферритные и перлитные чугуны, хотя эффект наклепа здесь меньше и опасность перенаклепа больше, чем для пластичных материалов.

Наклеп сплавов Аl и Mg повышает их предел выносливости незначительно (на 15—30%).

Эффективен наклеп в напряженном состоянии, представляющий собой сочетание упрочнения перегрузкой с наклепом. При этом способе деталь нагружают нагрузкой того же направления, что и рабочая, вызывая в материале упругие или упругопластические деформации. Поверхностные слои металла, подвергающиеся действию наиболее высоких напряжений растяжения (случай изгиба) или сдвига (случай кручения), подвергают наклепу (например, дробеструйной обработкой). После снятия нагрузки в поверхностном слое возникают остаточные напряжения сжатия, гораздо более высокие, чем при действии только перенапряжения или только наклепа.

Наклепанный слой чувствителен к нагреву. Повышение температуры до 150—200°С мало снижает напряжения сжатия, созданные наклепом, но при более высоких температурах остаточные напряжения уменьшаются; нагрев до 400—500°С полностью ликвидирует действие наклепа вследствие наступающего при этих температурах процесса рекристаллизации, устраняющего кристаллоструктурные изменения, внесенные наклепом.

Остаточные напряжения в поверхностном слое после закалки с нагревом ТВЧ, отпуска и наклепа

На рис. 197 показаны остаточные напряжения в поверхностном слое после закалки с нагревом ТВЧ, отпуска и наклепа. Закалка (кривая 1) создает остаточные напряжения сжатия 730 МПа на глубине до 0,8 мм. Отпуск при 100°С несколько снижает напряжения сжатия (кривая 2) в связи с превращением мартенсита закалки в мартенсит отпуска. С дальнейшим повышением температуры отпуска (постепенное превращение мартенсита отпуска в троостит) напряжения сжатия существенно уменьшаются (кривые 5, 4) и при 400°С (полное превращение мартенсита в троостит) практически исчезают (кривая 5). Наклеп (кривые 6—8) создает в поверхностном слое напряжения сжатия ~800 МПа почти независимо от вида предшествующей термообработки (при сопоставлении попарно кривых 3—7 и 4—8 отчетливо видно наложение напряжений сжатия, вызванных наклепом, на постепенно снижающиеся с повышением температуры отпуска закалочные напряжения).

Основные способы поверхностного упрочнения: дробеструйная обработка, обкатывание, чеканка, алмазное выглаживание.

Дробеструйная обработка заключается в наклепе поверхностного слоя потоком стальных закаленных шариков (00,5—1,5 мм) создаваемым пневматическими или центробежными дробеметами. Дробеструйной обработке можно подвергать фасонные поверхности. Качество поверхности при наклепе несколько снижается (на 1—2 класса шероховатости по сравнению с исходной), вследствие чего точные поверхности необходимо после наклепа подвергать финишным операциям.

Режим дробеструйной обработки выбирают в соответствии со свойствами обрабатываемого материала, его твердостью и прочностью. При передозировании легко получить перенаклеп, вызывающий хрупкость и трещиноватость поверхностного слоя. Ориентировочные параметры (для термообработанных сталей): скорость потока дроби 50—60 м/с; интенсивность потока 50—80 кг/мин; угол атаки (угол наклона струи к обрабатываемой поверхности) 60—90°; продолжительность обработки 2—5 мин. При правильно выбранном режиме наклепа остаточные напряжения сжатия составляют 600—800 МПа.

Поверхности вращения упрочняют обкатыванием стальными закаленными роликами. Силу прижатия ролика выбирают с таким расчетом, чтобы создать в поверхностном слое напряжения, превышающие предел текучести материала в условиях всестороннего сжатия (для сталей 5000—6000 МПа).

Для ориентировочного расчета можно пользоваться формулой

Povyshenie cikl prothnosti 9

где D — диаметр вала, мм; σ0,2 — предел текучести материала, МПа; В — рабочая ширина ролика, мм; а = Dp1/D — отношение диаметра ролика к диаметру вала.

При обычных значениях а = 0,8–1

Povyshenie cikl prothnosti 10

Ширина ролика при обкатывании валов диаметром 60—120 мм, В = 10—20 мм. Рабочую поверхность ролика бомбинируют, кромки скругляют галтелями R = 1—2 мм. Шероховатость рабочей поверхности ролика Ra = 0,025—0,05 мкм. Окружная скорость вала 10—20 м/мин. Продольная подача s = (0,05—0,1) В мм/об (в среднем 0,5—1 мм/об). Число проходов 2—3.

С целью уменьшения давления на ролик применяют виброобкатывание (ролику сообщают колебания в радиальном направлении с помощью пневматического или электромагнитного вибратора).

Плоские поверхности упрочняют обкатыванием шариками, установленными во вращающемся патроне. Заготовке придают движения продольной и поперечной подачи. При правильно выбранном режиме обкатывания остаточные напряжения сжатия в поверхностном слое составляют 800—1000 МПа. Глубина уплотненного слоя 0,2—0,5 мм.

Кривые усталости улучшенной и азотированной стали до и после обкатывания

На рис. 198 представлены кривые усталости улучшенной и азотированной стали до и после обкатывания. Предел выносливости азотированной стали на 25% выше, чем улучшенной; обкатывание повышает предел выносливости в обоих случаях на 25—30%.

В противоположность дробеструйной обработке обкатывание улучшает качество поверхности.

Так как размеры после обкатывания практически не меняются, то обкатывание можно применять как заключительную технологическую операцию. Возможность точной и чистовой обработки после обкатывания не исключается; как установлено опытами, снятие наклепанного слоя на глубину 0,05—0,1 мм не снижает заметно упрочняющего эффекта.

Для получения наилучших результатов поверхности перед обкатыванием целесообразно подвергать отделочной обработке вплоть до полирования. На рис. 199 показан микропрофиль накатанных поверхностей, обработанных точением, черновым и чистовым шлифованием. Как видно, поверхность после накатывания тем глаже, чем тоньше предшествующая механическая обработка.

Микропрофиль накатанных поверхностей, обработанных точением, черновым и чистовым шлифованием

Чеканку производят бойками со сферической рабочей поверхностью, приводимыми в колебание пневматическими или электромагнитными устройствами. Частота колебаний и скорость вращения заготовки должны быть согласованы с таким расчетом, чтобы наклепанные участки перекрывали друг друга. При ультразвуковой чеканке боек, прижатый к детали силой 100—200 Н, колеблется с частотой 20—25 кГц и амплитудой 10—20 мкм.

Другой способ уплотнения поверхностного слоя — холодная калибровочная чеканка в закрытых штампах.

Алмазное выглаживание заключается в обработке предварительно шлифованной и полированной поверхности закругленным (Rсф = 2—3 мм) алмазным резцом при скорости 50—400 м/мин, подаче 0,02—0,1 мм/об и радиальной силе на резце ~200 Н. Процесс применим как для пластичных материалов, так и для термообработанных до высокой твердости (закалка с нагревом ТВЧ, азотирование).

При выглаживании поверхностный слой уплотняется на глубину 0,3—0,5 мм; в нем возникают высокие (1000—2500 МПа) остаточные напряжения сжатия. Качество поверхности значительно улучшается. Микрорельеф приобретает благоприятные для циклической прочности плавные очертания.

Детали, закаленные на мартенсит, упрочняют обработкой на белый слой точением твердосплавными резцами с большим отрицательным передним углом (до 45°) без смазочно-охлаждающих жидкостей при скорости резания 60—80 м/мин. Поверхностный слой при этом подвергается своего рода термомеханической обработке, представляющей собой совмещение процессов высокотемпературной деформации и вторичной закалки. На поверхности образуется светлая нетравящаяся корка толщиной 0,1—0,2 мм, обладающая высокой твердостью (HV 1000—1300 при исходной твердости материала HV 600—700) и состоящая из мелкозернистого (размер зерна 0,05—0,1 мкм) тонкоигольчатого мартенсита вторичной закалки с высокодисперсными карбидными включениями. В зоне белого слоя возникают чрезвычайно высокие сжимающие напряжения (до 5000 МПа), обусловливающие резкое повышение циклической прочности. Усталости^-коррозионная стойкость повышается примерно в 10 раз по сравнению С исходной. Хорошие результаты получаются только при условии сплошного белого слоя. В противном случае на участках разрыва слоя возникают скачки напряжений, снижающие циклическую прочность. Чистовую обработку белого слоя производят микрошлифованием, полированием и суперфинишированием.

Стенки отверстий упрочняют с помощью раскатывания, калибрования шариками и дорнования (прошивание уплотняющими прошивками).

Для упрочнения фасонных отверстий, обрабатываемых протягиванием (в частности шлицевых отверстий), протяжкам придают выглаживающие зубья скругленного профиля.

Внутренние полости сложной конфигурации уплотняют струйно-абразивным полированием (полирование струей воды со взвешенными зернами абразивного материала).

В стадии разработки находится способ импульсного гидронаклепа струей высокого давления. Перспективным является электрогидравлический наклеп, основанный на эффекте Юткина, а также упрочнение взрывом. Этими способами можно упрочнять детали самой сложной формы с одновременным уплотнением всех наружных и внутренних поверхностей.

Особое значение для циклической прочности имеет предупреждение коррозии. Положительный эффект дает нанесение тончайших полимерных пленок (поливинилхлоридов, эпоксидов, синтетических каучуков), а также органических веществ с активными гидроксильными группами, обеспечивающими прочную связь покрытия с металлом. Упрочняющее действие пленок обусловлено не только предупреждением коррозионных процессов. Пленки, по-видимому, образуют молекулярный барьер, препятствующий выходу дислокаций на поверхность металла. Этот способ применим для свободных поверхностей и поверхностей в неподвижных соединениях и ограниченно для поверхностей, работающих в условиях трения скольжения.