книги / Усталость крупных деталей машин

Пределы выносливости ступенчатых и гладких образцов чу­ гуна после двойной нормализации с увеличением их диаметра сни­ жаются в меньшей степени, чем после изотермической закалки.

5. УСТАЛОСТЬ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА

В ЦНИИТМАШе разработан метод холодной дуговой сварки чу­ гуна электродами ЦЧ-4. П. И. Кудрявцевым были проведены испы­ тания на усталость сварных соединений. В табл. 98 дана оценка усталости плоских образцов размером 55X75X550 мм (основного металла и сварных) из высокопрочного и серого чугуна (С 2,7— 3,7%, Si 1,9—2,6%, Мп 0,54—0,80%, S 0,014—0,003%, Р 0,05— 0,1%, ст„ = 475-ь580 МПа, б = l,0-i-2,8%, НВ 2000—2500 Н/мм2.

Заготовки высокопрочного чугуна под образцы подвергали нормализации при температуре 900—950° С, выдержка 3—5 ч с последующим отпуском при 500—600° С, выдержка 6—8 ч, охлаждение с печью 300° С, далее на воздухе.

Микроструктура образцов после термообработки перлито­ ферритная.

Технология сварки: на кромки заготовок электродами ЦЧ-4 наплавляли два слоя металла. Режим наплавки: /„ = 120 А, V3 = 24 В.

Разделка под углом 28° электродами ЦЧ-4. После наплавки швы в заготовках заполняли электродами УСШИ-13/45. Швы на­ кладывали каскадом при силе тока 160 А.

Сварное соединение по твердости было неоднородно. Твердость в зоне сплавления наплавки электродами ЦЧ-4 с высокопрочным чугуном достигала HV 450, что объясняется наличием в указан­ ных местах отбеленных участков металла.

Был произведен высокий отпуск одной из серий образцов с целью снятия остаточных напряжений при температуре 550— 600° С.

Упрочнение ППД сварного соединения выполняли по всей ширине образца, со стороны вершины и корня шва. В зону на­ клепа входили шов, зона термического влияния и часть основного металла.

Испытания плоских образцов на усталость проводили на ма­ шине УП-50, осуществляющей изгиб образца в одной плоскости по симметричному циклу. База испытаний 10 млн. циклов.

Результаты усталостных испытаний плоских образцов приве­ дены в табл. 99.

По результатам испытаний видно, что предел выносливости образцов основного металла высокопрочного чугуна с шаровидным графитом в 3 раза больше, чем предел выносливости серого чугуна. Большинство изломов образцов высокопрочного чугуна начина­ лись с угла, реже с середины сечения.

Сварные образцы высокопрочного чугуна в исходном состоя­ нии имели предел выносливости 45 МПа. Изломы всех образцов этой серии начинались у вершины или у корня шва. Причинами такого резкого снижения предела выносливости, очевидно, явля­ ется концентрация остаточных напряжений, а также мелкие дефекты сварного шва.

После снятия механической обработкой усиления шва (стро­ ганием) предел выносливости повысился в 2 раза по сравнению

собразцами без снятия усиления шва. Образцы этой серии разру­ шались в основном по зонам сплавления высокопрочного чугуна

снаплавкой электродами ЦЧ-4 и заполнениями электродами УОНИ-13/45.

Изломы по зоне сплавления ЦЧ-4 и УОНИ-13/45 имеют блестя­ щую поверхность с тонкими отслоениями. Сварка образцов с боль­

шим проплавлением не увеличила предел выносливости образцов, но изменила их месторасположение. Поверхностный наклеп зоны сварного шва повышает предел выносливости в 2,5 раза, что соста­ вляет 75% предела выносливости основного металла.

Значения пределов выносливости образцов со снятым усиле­ нием и образцов, подвергнутых ППД по «слабому» режиму, прак­ тически одинаковы. Усталостные трещины в образцах, упрочнен­ ных по «слабому» режиму, возникали большей частью вне зоны сварного шва. Только в редких случаях, когда в шве имели место мелкие дефекты, трещины возникали у сварного шва. Высокий от­ пуск сварного соединения при температуре 600° С приводит к уве­ личению предела выносливости более чем в 1,5 раза по сравнению с пределом выносливости сварного соединения в исходном со­ стоянии.

Испытанию подвергали, кроме того, две серии образцов, сва­ ренных в сочетании высокопрочного чугуна и стали 22К: одна серия со снятым усилением и вторая серия с ППД по «сильному» режиму после снятия усиления. Обе серии после испытания пока­ зали одинаковый предел выносливости (70 и 75 МПа). Усталостные изломы происходили посередине шва.

Были проведены исследования влияния дефектов, создаваемых высверливанием в зоне галтелей и последующей заваркой на уста­ лость ступенчатых образцов из высокопрочного чугуна 0 50 мм.

Дефекты создавались высверливанием ( 0 5 мм и h — 20 мм)

под углом 45° в галтели. Дефект заваривали электродами ЦЧ-4 (I = 130 А) наложением отдельных валиков с последующим уда­ лением шлака. После заварки дефекта образец окончательно обта­ чивали. Одна из серий ступенчатых образцов с заваренными де­ фектами была подвергнута ППД по галтели и зоне цилиндрической части образца. ППД производили по режиму: энергия удара 25 Дж, число ударов 1000 в минуту, число проходов по обрабатываемой поверхности для галтели пять, для цилиндрической части три, диаметр ролика 60 мм, контурный радиус 3 мм. Испытания на уста­ лость выполняли на базе 10 млн. циклов нагружения. В резуль­ тате испытаний был получен предел выносливости ступенчатых образцов в виде галтели радиусом 3 мм, равный 75 МПа.

Получить предел выносливости для образцов с заваркой не удалось. Поломки образцов происходили при напряжении 30 МПа (о_! < 30 МПа). Таким образом, наличие заваренных дефектов в зоне концентратора напряжений резко снижает усталость сту­ пенчатых деталей (по сравнению с усталостью образцов без дефек­ тов и заварки). ППД вибрирующим роликом зоны галтели и за­ варки полностью нейтрализует их отрицательное влияние, под­ нимая предел выносливости выше, чем предел выносливости об­ разцов без дефектов (95 МПа).

Наклеп не только нейтрализует отрицательное влияние зава­ ренного дефекта, но и увеличивает предел выносливости основного металла образца за счет благоприятного проявления остаточных напряжений в галтели. При качественной заварке дефекта и по­ следующем наклепе излом образцов происходил вне зоны галтели.

Г л а в а X I

УСТАЛОСТЬ СТАЛЬНОГО ЛИТЬЯ

1. УСТАЛОСТЬ Л И Т Ы Х И СВА РН О -ЛИ ТЫ Х С ТА Л ЬН Ы Х КОНСТРУКЦИЙ

Снижение трудоемкости производства крупных стальных литых деталей может быть достигнуто расчленением их на отдельные простые элементы с последующей сваркой. При таком способе производства удается более широко применять машинное формо­ вание, значительно упрощается литейная технология.

В ЦНИИТМАШе проводили исследования выносливости ли­ тых сварно-литых и комбинированных (сварка литых деталей с ко­ ваными) соединений в зависимости от их композиции и технологии термообработки [5]. Была оценена также эффективность упроч­ нения зон сварки ППД соединений крупного сечения. Для иссле­ дований были выбраны стали 35Л и СтЗ в виде проката.

Были выбраны две композиции сварных усталостных соеди­ нений: литые с литьем (сталь 35Л + сталь 35Л), литые со сталью (сталь 35Л + СтЗ).

Конструкция, образцов была выбрана таким образом, чтобы можно было приблизиться к условиям сварки корпусных деталей.

На усталость испытывали образцы сечением 90X120 мм свар­ ные с усилением шва (рис. 83, а) и цельнолитые (рис. 83, б). Меха­ нической обработке подвергали только плоскости крепления об­ разцов в машинах УКВ-180 (см. гл. I).

Для изготовления сварных образцов из стали 35Л отливали в землю плиты размером 205Х300Х 1100 мм. После обрубки и очи­ стки отливки подвергали отжигу при температуре 850—870° С. Плиты размером 400X120X90 мм из стали 35Л отливали, а из стали СтЗ вырезали из проката. Перед сваркой производили раз­ делку кромок, затем образцы сваривали встык ручным способом электродами Э50А (ГОСТ 9467—75). Корень шва проваривали электродами 0 4 мм при силе тока 140— 160 А, а окончательную сварку выполняли электродами 0 5 мм при силе тока 180—200 А.

Для исследования эффективности наклепа ППД сварно-литых и комбинированных соединений образцы испытывали на усталость после наклепа ППД шва и околошовных зон многобойковым пнев­ матическим устройством (энергия удара 16 Дж). Сварное соедине­ ние упрочняли до образования металлического блеска шва и околошовной зоны.

Рис. 83. Образцы для испытания на усталость при изгибе: а — сварные с усилением шва; 6 — цельнолитые

Полученные сварные образцы были разделены на три группы, каждую из которых подвергали термообработке по определенной технологии: I группа — полный отжиг — нагрев до температуры 850—870° С с последующим охлаждением после выдержки вместе с печью; II группа — отпуск для снятия внутренних напряжений нагрев до температуры 600—650° С с последующим охлаждением вместе с печью (низкотемпературный отжиг); III группа — высоко- и низкотемпературный отжиг и ППД. База испытаний 10 млн. циклов.

Сварные швы (выполненные по ширине образца) при испыта­ нии располагались в плоскости изгиба образца. При значительном развитии трещины нарушался режим работы испытательной ма­ шины.

Усталость стальных литых и сварно-литых конструкций из стали 35Л сравнивали с усталостью аналогичных соединений из низколегированной прокатной стали 16ГНМА.

Образцы основного металла стали 16ГНМА и сварных соеди­ нений сечением 115X300 мм испытывали на усталость также с не­ обработанной поверхностью и сохранением усиления шва. Для упрочнения изготовления образцы были выполнены без головок — призматические. Концы пластин под захваты машин с целью пред­ отвращения их излома в зоне контакта подвергали поверхностному упрочнению чеканкой. Испытания проводили на машинах УП-200 на базе 10 млн. циклов. Пластины размером 650X180X115 мм сваривали автоматической многопроходной сваркой. Пластины попарно сваривали таким образом, чтобы направление сварки совпадало с направлением проката. При сварке использовали элек­ тродную проволоку Св-10НМ 0 5 мм, флюс ФЦ-6. По окончании сварки пластины подвергали двойной термообработке при темпе­

сравнению с цельнолитыми. Предел выносливости сварно-литых образцов после высокотемпературного отжига и последующего наклепа ППД почти достиг предела выносливости цельнолитых образцов.

Сварка отливок с прокатом также вызывает снижение устало­ сти по сравнению с цельнолитыми.

Для соединений сварно-литых и комбинированных конструк­ ций высокотемпературный отжиг может быть заменен низкотем­ пературным отжигом.

Повышение предела выносливости соединений стали 35 и стали СтЗ после низкотемпературного отжига и ППД составило 46%, что на 18% больше значения предела выносливости образцов цель­ нолитых такого же сечения.

Как правило, в неупрочненных сварных соединениях исследо­ ванных образцов усталостное разрушение происходило по зоне сплавления со сталью 35Л, а соединения после отжига и ППД раз­ рушались вне зоны сварки — по основному металлу. Это свиде­ тельствует о том, что наклеп ППД соединений, подвергнутых пред­ варительному отжигу, полностью устраняет влияние концентра­ ции напряжений, возникших при сварке.

Предел выносливости (при изгибе) отливок из углеродистой стали 35 с черной необработанной поверхностью составляет около 76% предела выносливости поковок низколегированной стали 16ГНМА. Однако прочность сварных соединений литой стали с чер­ ной необработанной поверхностью и усилением шва практически не отличается от прочности сварных пластин стали 16ГНМА (про­ кат).

Крупные детали, работающие в условиях переменных нагрузок, целесообразно изготовлять сварными из отдельных плит или про­ катных (кованых) элементов с последующей обработкой опасных зон ППД.

2.УСТАЛОСТЬ СТАЛЬНОГО Л И Т Ь Я

При производстве стальных отливок нередко возникают дефекты в виде пустот (поры, раковины), усадочных трещин, включений

ипр. Детали, воспринимающие действие переменных нагрузок, как правило, разрушаются в местах концентраторов напряжений,

всвязи с чем представляет интерес установление влияния концен­ траторов напряжений, создаваемых дефектами, на прочность круп­ ных отливок.

Вработе [47] проводили широкие исследования о влиянии дефектов на усталость литых образцов диаметром 100, 50 и 10 мм из углеродистой стали (рис. 84, а—в).

Определялось влияние различных концентраторов напряжений, как конструктивных в виде отверстий различных диаметров, так

итехнологических в виде раковин, на усталость литой углероди­ стой стали (табл. 102). Усталость стальных литых образцов срав­ нивали с усталостью кованых образцов.

размеров (глубина отверстия li и радиус скругления дна отвер­ стия г).

Образцы испытывали на изгиб с вращением образца по сим­ метричному циклу: база испытаний 107 циклов.

Были случаи, когда образцы проходили базу испытания без разрушения, но на краях отверстий наблюдались небольшие уста­ лостные трещины.

Для предела выносливости принимали следующие обозначения: a_i (2) по излому, о_1(|) по трещинообразованию, о_) (0) без учета отверстия.

В табл. 103 и на рис. 85 представлены значения пределов вы­ носливости, полученные на основании испытаний.

Высверливание отверстий вызывает понижение предела вы­ носливости валов из литой стали независимо от их размера. Причем с увеличением размера отверстия предел выносливости понижается для всех групп образцов. Трещины усталости в результате испы­ таний возникают на поверхности отверстия в точках, располо­ женных у наружной поверхности образцов.

Образцы с меньшим диаметром отверстий имеют большие пре­ делы выносливости.

В табл. 104 представлены значения пределов выносливости, полученные при испытании образцов диаметром 50 и 100 мм с де­ фектами в виде раковин различных размеров. В образцах было об­ наружено значительное число раковин, которые классифициро­ вали на три группы: раковины малых, средних и крупных разме­ ров. В образцах с дефектами, расположенными на поверхности, диаметром меньшем 0,2 мм усталостные трещины около дефектов не возникали. Однако, когда размер дефекта на поверхности об­ разца превышал 0,5 мм, усталостные трещины развивались, т. е. дефекты становились очагами зарождения усталостных трещин.