книги / Циклическая прочность металлов

калке токами высокой частоты с последующим охлаждением на воздухе подвергалась только рабочая часть. Обкатывание роликами после поверхностной закалки выполнялось на станке в два прохода. Циклические испытания проводились на машине, дающей изгиб при вращении.

Рассмотрение табл. 51 показывает, что поверхностная закалка только рабочей части образцов без их последующего упрочнения вообще и, главное, без специального упрочнения их галтелей,

или на небольшом расстоянии от этого обрыва в сторону головки образца.

Обкатывание роликами незакаленных галтелей образцов, и нормализованных, и улучшенных, упрочняет эти галтели, вызывает благоприятные (сжимающие) остаточные напряжения в них и вследствие этого значительно повышает общую циклическую прочность образцов.

Результаты этих исследований позволяют рекомендовать в целях повышения общей циклической прочности стальных изде­ лий специальную обкатку роликами тех их частей, которые не­ возможно подвергнуть поверхностной индукционной закалке. Вместо обкатки роликами можно для топ же цели применять, по-видимому, и дробеструйную обработку, хотя специальных исследований по этому вопросу пока не имеется.

В заключение следует подчеркнуть, что процесс поверхност­ ной термообработки токами высокой частоты стальных изделий для повышения их циклической прочности еще далеко не полно­ стью исследован; поэтому для выявления всех положительных сторон, которые, без сомнения, имеет этот процесс и, в частности, для назначения оптимальных режимов такой обработки изделий необходимы дальнейшие соответствующие исследования.

§ 26. ВЛИЯНИЕ ПОВЕРХНОСТНОЙ ТЕРМОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ИЗДЕЛИЙ

Цель всякой термохимической обработки стального изделия заключается в том, чтобы получить поверхностный слой, обла­ дающий повышенной твердостью и износостойкостью, а также повышенной прочностью. Это достигается диффузией соответ­ ствующих веществ (углерода, азота и др.) в глубину поверхност­ ного слоя изделий при их нагреве. Наиболее распространенными способами термохимической обработки стальных изделий явля­ ются: цементация, азотирование и цианирование. Менее рас­ пространенными, но применяемыми все же способами являются никелирование, хромирование, цинкование и др. Ниже рассмо­ трено влияние этих видов термохимической обработки на цикли­ ческую прочность изделий.

Цементация (науглероживание)

При цементации стальных изделий поверхностный слой их на­ сыщается углеродом; вследствие этого получаются изделия с твер­ дой поверхностью и сравнительно вязкой сердцевиной. Глубина цементованного слоя зависит от продолжительности и темпера­ туры обработки изделий, а также от состава карбюризатора, и обычно составляет 0,5—2,0 мм. После цементации изделия под­ вергаются дополнительной термической обработке.^ Цементация широко применяется на практике в разных областях машинострое­ ния, в авто- и тракторостроении, в инструментальной промыш­ ленности и т. д. Цементуют изделия из углеродистых сталей и из легированных с содержанием углерода до 0,2%, так как именно такое содержание углерода обеспечивает наиболее высокую вяз­ кость сердцевины после цементации и, следовательно, наиболее высокое сопротивление цементованных изделий циклическим нагрузкам.

Цементация стальных изделий и последующая термическая обработка сильно изменяют микроструктуру и поверхностного цементованного слоя и даже нецементованной сердцевины; изме­ нение же микроструктуры изделий играет большую роль в уста­ новлении предела усталости, наряду с появлением остаточных напряжений и с изменением микрогеометрии их поверхности. Поэтому микрографическое исследование структуры поверхност­ ного слоя и структуры сердцевины изделий при цементации пред­ ставляет большой интерес.

Ниже описаны результаты такого исследования, выполненного Б. А. Журавлевым в лаборатории динамической прочности Куй­ бышевского индустриального института, в достаточно полном виде на образцах из конструкционной углеродистой стали 20.

Круглые образцы диаметром 12 мм в этом исследовании цемергговались и затем термически обрабатывались по шести разным

вариантам.

При назначении этих вариантов имелось в виду, что на форми­ рование микроструктуры изделия влияют в той или другой сте­ пени все параметры режима термохимической обработки, но главнейшими из них будут охлаждение после цементации, реге­

85% древесного угля (березового) и 15% кальцинированной соды. Структура металла после окончательной обработки изучалась

на Шлифах с помощью металлографического микроскопа. Исходный материал -- углеродистая сталь 20 — до цемен­

тации имел одинаковую' по всему сечению каждого образца мелкокристаллическую структуру: феррит и перлит с несколько

По шестому варианту режим заключался в цементации с по­ следующим охлаждением вместе с печью до температуры 860* и далее на воздухе, после этого производилась регенерация зерна при температуре 780° с охлаждением в масле, затем окончательная закалка при температуре 780° с охлаждением в воде, отпуск при температуре 180°; по этому варианту в цементованном слое струк­ турно-свободного цементита почти не наблюдалось, а в сердцевине было особенно заметное измельчение зерен при плавном структур­

дающих чистый изгиб при враще­ нии; при этом каждое значение предела усталости получалось

как среднее арифметическое из испытаний на двух одновременно

табл. 53 приведены результаты испытаний цементованных об­ разцов из хромоникелевой стали [33].

УЙа фиг. 115 даны два обобщенных графика, характеризующие зависимость циклической прочности стальных изделий от глу­ бины цементования при последующем быстром охлаждении (гра­ фик 1) и при медленном охлаждении (график 2)\ в последнем слу­ чае, как видно, структурные цроцессы резко уменьшают предел усталости (с 46 до 19 кг/мм2) за счет большого количества сво­ бодного цементита и величины зерна.

Анализ^табзь 52—и- 53—и—графиксш“на фигт--1г15- показывает, что влияние цементации с последующей термообработкой сталь­ ных изделий на их циклическую прочность всегда положительное

ибольшое, но различное в зависимости от режима термической обработки (после цементации). Наиболее резко предел усталости повышается при режимах, сопровождающихся регенерацией зерна

инизкими температурами отпуска после закалки; исключение

а также когда происходит распад мартенсита, хотя бы частичный, и понижение его твердости.

Повышение предела усталости стальных изделий зависит и от глубины цементованного слоя. Особенно большой градиент повышения предела усталости наблюдается при относительно малой глубине слоя; с увеличением глубины этот градиент сни­ жается, оставаясь по абсолютной своей величине все же весьма заметным.^

Причину этого можно объяснить путем микроскопического исследования изломов образцов. Такие исследования показы­ вают, что область возникновения усталостной трещины при малой толщине цементованного слоя всегда лежит в непосредственно подцементованной зоне (в подкорковых слоях). С утолщением же цементованного слоя эта область перемещается внутрь его, к пери­ ферии образца, вследствие того что именно там развиваются наименьшие остаточные сжимающие напряжения или даже могут появляться растягивающие напряжения; при дальнейшем утол­ щении цементованного слоя должны соответственно перемещаться (углубляться) и его отдельные зоны, в том числе и область воз­ никновения начальных трещин усталости, а вследствие этого должен (хотя бы и незначительно) повышаться предел усталости изделия.

При исследовании процесса упрочнения стальных изделий цементацией, а также и некоторыми другими описанными ниже способами термохимической обработки возникает вопрос о том, чем вызывается повышение циклической прочности изделий при этом: упрочнением ли поверхностного слоя изделия или возникаю­ щими в нем благоприятными остаточными напряжениями. Для решения этого вопроса было поставлено специальное исследование на плоских образцах из хромоникельмолибденовой стали; одни образцы были цементованы на всю свою толщину (2,3 мм), а дру­ гие — только на глубину 0,4 мм; у первых предел усталости был 43 кг/мм2, а у вторых 60 кг/мм2. Эти результаты показывают, что повышение предела усталости стальных изделий, наблюдаемое в результате термохимической обработки, обусловливается глав­ ным образом действием остаточных сжимающих напряжений

вупрочненном слое их.

Взаключение отметим, что цементация стальных изделий,

повышая прочность при циклических нагружениях, резко в то же время снижает сопротивление их ударным нагрузкам.

у них тем самым вязкую неломкую сердцевину, окруженную углеродистой оболочкой; после закалки таких изделий оболочка их приобретает нужную твердость, а сердцевина остается достаточно вязкой, чтобы безопасно воспринимать внешние удар­ ные воздействия.

А з о т и р о в а н и е ( н и т р и р о в а н и е )

Термохимическая обработка стальных изделий азотированием получает в настоящее время все большее и большее распростра­ нение. Этот вид обработки состоит в том, что изделие подвергается в специальных камерах-печах нагреву до 500—600° при одно­ временном насыщении поверхностного слоя его азотом, выде­ ляющимся при разложении аммиака.

Какой-либо последующей термообработки изделие после азо­ тирования не требует, и это обстоятельство, а также сравнительно невысокая температура нагрева дают азотированию преимущество перед цементацией.

Азотирование вызывает значительное упрочнение поверхности обрабатываемых изделий, в том числе и изделий весьма сложных конфигураций, почти без изменения их размеров и макрогео­ метрии поверхности, а также вызывает большое повышение их предела усталости. Значительно повышаются вместе с тем изно­ состойкость и долговечность обработанных изделий, особенно в корродирующих условиях эксплуатации^

Для иллюстрации этих положений в табл. .54 приведены ре­ зультаты определения предела усталости на кручение хромо­ марганцевомолибденовой стали на образцах гладких и с надре­

Данные табл. 54 показывают, что особенно заметное повыше­ ние предела усталости дает азотирование образцов с надрезами.

Предел усталости изделий увеличивается тем больше, чем, при одинаковом режиме обработки, глубже азотированный слой изделия, причем особенно это заметно при наличии надрезов. В табл. 55 приведены данные, подтверждающие это положение, полученные при исследовании на переменное высокочастотное растяжение-сжатие шлифованных образцов из стали ХМАЗ.

При указанных преимуществах процесс обработки стальных изделий азотированием имеет и существенный недостаток, заключающийся в весьма большой длительности этого про­ цесса, который в общей сложности иногда требует двух-трех суток.

В последние годы разработаны двухступенчатые и трехступен­ чатые режимы азотирования, которые, при применении соответ­ ствующих катализаторов, обеспечивают значительное сокращение длительности этого процесса, доводя его до десятков часов. Этот сокращенный режим азотирования в настоящее время особенно