книги / Некоторые вопросы усталостной прочности стали

При исследовании образцов, упрочненных поверхностным наклепом, также обнаружено наличие оптимальной начальной тренировки.

марок стали установлено наличие такой разности ок — он, на­ званной критической разностью, при которой получается наиболь-

ся более 100% (фиг. 7).

При этом установлено наличие критической разности у образ­ цов, наклепанных дробью.

г) Для некоторых марок стали такое упрочнение при ои < <зк имеет место при сколь угодно высоких уровнях нагружения.

д) Установлено существование линейной зависимости между конечными перенапряжениями о1Си логарифмами конечных цикли­ ческих долговечностей пк, когда ои > «тк. При этом показано, что чем выше начальное перенапряжение и чем больше относи­ тельная начальная тренировка, тем круче наклон прямолиней­ ных участков вторичных кривых усталости.

е) Наклон усталостной кривой упрочненных образцов значи­ тельно меньше, чем наклон такой же кривой для неупрочненных образцов.

151

Необходимо отметить, что большая часть этих эксперименталь­ ных фактов не была известна Афанасьеву, и тем не менее теория усталостной прочности, созданная им, удовлетворительно их объ­ ясняет. Как известно, на основании теории, прочность металла при переменных нагрузках определяется прочностью слабейшего зерна 1. Слабых зерен (по отношению к общему количеству зерен в образце) сравнительно немного, тем не менее и они могут быть разбиты на группы различных порядков слабости. Условимся самые слабые из малопрочных зерен называть зернами 1-го порядка. Затем пойдут зерна 2-го, 3-го, п-го, (п -f 1)-го поряд­ ков и т. д. Чем выше порядок слабых зерен, тем они прочнее.

Когда среднее напряжение всего образца настолько мало, что даже зерна 1-го порядка деформируются упруго, тогда ника­ кого упрочнения вследствие тренировки при недогрузках не наблюдается. Величина среднего напряжения при этом меньше

(°н)кР-

При повышении прилагаемой нагрузки напряжения в зернах 1-го порядка могут превысить предел текучести этих зерен, что

. вызовет в них пластическую деформацию и упрочнение. Величина

возникать микротрещины. Когда последние окажутся значитель­ нее, чем неоднородности металла, рост их примет преимуществен­ ное направление. Возникнет макротрещина, обусловливающая излом образца.

Упрочнение слабых зерен в начальной стадии тренировки наблюдается и при он > с_1 с тем, однако, принципиальным отличием, что в этом случае слабые зерна первых порядков раз­ рушаются, в то время как при ан < а_,, как правило, зерна даже самых первых порядков слабости упрочняются, не разрушаясь. Чем выше уровень он, тем выше и порядок слабых зерен, на кото­ рые распространяется пластическая деформация. При этом проис­ ходит своеобразная борьба упрочнения и разупрочнения.

В то время как слабые зерна разрушаются уже после немно­ гих циклов приложения переменной нагрузки, более прочные зерна продолжают упрочняться так, что упрочнение долгое

к р и ст а л л и т о в .

152

Это же обстоятельство объясняет и увеличение долговечности при сколь угодно высоких перенапряжениях, лишь бы он было меньше ок и разница между ними была бы не велика. Действи­ тельно, при достаточно большом аи зерна первых порядков слабости быстро разрушаются, упрочняются лишь зерна, допу­ стим, л-го порядка, которые и являются ответственными за вели­ чину циклической долговечности на этом уровне. На более высо­ ком уровне конечного перенапряжения ок ответственными за

вследствие чего и увеличивается конечная долговечность при окончательном испытании на уровне ок.

Наличие критической разности (ок — он)кр объясняется сле­ дующим образом: при напряжениях о„, почти равных оК1 при окончательных испытаниях на уровне ок действие начальной тренировки сказывается мало потому, что за значение цикличе­ ской долговечности на уровне ок, так же как и на уровне ои (почти не отличающемся от ок), ответственны зерна одного и того же порядка, например л-го. Но если разность ок — он увеличи­ вается, то на уровне ок за величину циклической долговечности будут отвечать зерна более высокого порядка, чем на уровне о„.

При дальнейшем увеличении разности ок—ои, когда она превы­

самым сколь-нибудь заметного влияния на увеличение долго­ вечности на уровне ок.

График корреляционного уравнения, будучи продолжен в об­ ласть напряжений выше предела упругости, теряет свой смысл потому, что уравнение am-N = const справедливо лишь для интервала напряжений не выше а = ат, когда за прочность всего образца отвечает слабейшее зерно, которое одно лишь подвергается пластической деформации. При напряжениях же выше предела упругости все зерна в подавляющем большинстве испытывают пластическую деформацию. И зависимость между з и N в этом случае будет отлична от вт ■N = const.

Какова же эта зависимость? Ее можно определить косвенным путем. На фиг. 6 видно, что график корреляционного уравнения для наклепанных образцов проходит более полого, вследствие того, что все зерна на поверхности упрочнены. Ответственными за разрушение являются в этом случае менее напряженные зерна под упрочненным слоем, что и является причиной повышения

153

долговечности, а, стало быть, и уменьшения угла наклона кривой усталости. При напряжениях же выше предела текучести пре­ имущества наклепанных образцов по сравнению с ненаклепанными не сказываются так резко потому, что поверхностные слои неупрочненных образцов упрочняются при первом же цикле приложения нагрузки, вследствие пластической деформации всех зерен. Поэтому естественно предположить, что кривые усталости наклепанных и ненаклепанных образцов в этой области если и не совпадают, то во всяком случае мало отличаются друг от друга. Конечно, методически неправильно предполагать, что гра­ фик наклепанных образцов сохраняет свое направление в интер­ вале напряжений выше о = от. Здесь та клее осуществляется перелом, но менее резкий. При этом направление обоих графиков при их экстраполяции должно быть выбрано так, чтобы они пересекали ординату lg N при о = оВ1|ЗГ<

Поскольку зависимость ак = / (lg пк) выражается также пря­ мой линией, для вторичных кривых усталости справедливо урав­ нение а™' -пк = const. При этом показатель степени т' отличается

от показателя степени т уравнения исходной кривой усталости amN = const. Это отличие тем больше, чем больше повреждены образцы при тренировке. Разность m—mj увеличивается по мере увеличения уровня о„ и относительной начальной тренировки

Y~. Уменьшение т; по сравнению с т является следствием изме­

нения угла наклона вторичной кривой усталости. Известно, что чем более жестки условия тренировки, тем круче ход кривой, что, в свою очередь, связано с количеством поврежденных зерен и степенью их повреждения. Последнее обстоятельство находится в полном соответствии с фактом уменьшения угла наклона упроч­ ненных дробью образцов.

Выводы

1. Метод вычисления средних вероятных значений долговеч­ ности на основе статистической обработки малого числа величин обеспечивает достаточную точность при небольшом числе образ­ цов (12—16 шт.). При этом учитывается рассеяние результатов

при перегрузках дало возможность. обосновать причины возмож­ ных аварий напряженных деталей в состоянии закалки и низкого отпуска, работающих при переменных нагрузках; установить зависимость между углом наклона кривых усталости от отноше­

ния ^=2-, что, в свою очередь, позволило выразить зависимость

О = / (N) в виде

154

3.Зависимость от - N = const соблюдается только в интервале напряжений не выше ое.

4.Вторичные кривые усталости могут быть выражены в об­ ласти напряжений не выше ае также уравнением а^' • пк = const;

при этом разность т—tri будет тем больше, чем больше уровень а„

ичем больше -jr- .

5.Оптимальная начальная тренировка, критическая разность (ак—аи)кр и угол наклона вторичной кривой усталости являются

дополнительными критериями оценки сопротивляемости стали перегрузкам.

6. Все опытные факты удовлетворительно истолковываются с точки зрения теории усталостной прочности по Афанасьеву, что доказывало ее правильность на данном этапе развития наших представлений об усталости.

79— 106.

10.P e ш e т о в Д . H ., Повышение прочности деталей машин, «Труды совещания по методам повышения прочности деталей машин АН СССР»,

1949.

11.К и м м е л ь м а н Д . Н ., Расчет деталей машин на прочность при переменных напряжениях, Машгиз, 1950.

вление усталости упрочненных дробью образцов, «Вестник машиностроения». 1952, № 9.

155

О. О. КУЛИКОВ

ОБ ЭФФЕКТИВНОСТИ УПРОЧНЯЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ ПРИ КРУЧЕНИИ

Введение

Обкатка роликами, дробеструйный наклеп, поверхностная закалка, азотирование, цементация и некоторые другие виды поверхностной обработки способны, как известно, существенно увеличивать выносливость стальных изделий. Упрочняющая поверхностная обработка позволяет повышать надежность дета­ лей машин, уменьшать их вес, экономить металлы.

Широкое внедрение различных видов поверхностной обработки в отечественной промышленности способствует быстрому разви­ тию нового раздела в науке о прочности металлов, который может быть назван теорией поверхностного упрочнения.

В задачу этого раздела науки входит установление факторов, влияющих на эффективность обработки, рассмотрение механизма их действия и выяснение степени влияния многообразных усло­ вий, подсказываемых практикой машиностроения. Работы в этом направлении призваны доставлять научные данные для рацио­ нального выбора в каждом конкретном случае материала детали, упрочняющей операции, оптимальной технологии упрочнения, надежного метода контроля качества обработки и правильного конструирования детали, подлежащей упрочнению.

Значительный практический интерес представляет такой вопрос теории, как изменение эффективности поверхностной обработки в зависимости от способа циклического деформирова­ ния, и в частности, эффективность поверхностной обработки при кручении по сравнению с изгибом.

Рассмотрение опубликованных материалов показывает, что в подавляющем большинстве исследований эффективности упроч­ няющих операций применялся циклический изгиб. По кручению данные очень немногочисленны и относятся в основном к глад­ ким образцам. Вместе с тем детали машин, работа которых свя­ зана с крутящими циклическими нагрузками, составляют весьма обширную группу. Сюда входят, например, коленчатые валы двигателей внутреннего сгорания, локомобилей, компрессоров,

156

инерционных транспортеров и других машин; торсионные, греб­ ные, трансмиссионные и другие валы; буровой инструмент и различные пружины. Следует отметить, что большинство деталей обладает канавками, буртами, отверстиями и другими концен­ траторами напряжений, а как раз в условиях концентрации напряжений от упрочняющей обработки можно получить, как это показывают данные по изгибу, особенно высокие результаты.

Ввиду всего изложенного в ЦНИИТМАШ была проведена работа, общей целью котооой являлось расширение представле­ ния об эффективности упрочняющей поверхностной обработки в случае переменного кручения. Для экспериментального разре­ шения были поставлены применительно к стальным деталям круглых сечений следующие конкретные задачи:

1)провести сравнение эффективности упрочняющей поверх­ ностной обработки для гладких деталей при циклическом круче­ нии и циклическом изгибе;

2)выяснить изменение эффективности упрочняющей поверх­ ностной обработки при кручении в связи с присутствием различ­ ных концентраторов напряжений.

Разнообразные виды упрочняющей поверхностной обработки

могут быть объединены в две группы:

1)различные виды механической обработки;

2)различные виды термической или химикотермической

обработки.

В первую группу входят: дробеструйная обработка, обкатка роликами, обработка пневматическим инструментом и другие операции, вызывающие поверхностную пластическую деформа­ цию металла. Вторую группу составляют такие методы упрочне­ ния, как поверхностная закалка (различные виды), азотирование, цементация и пр.

Из первой группы для исследования взяты два наиболее рас­ пространенных вида обработки — дробеструйный наклеп и обкатка роликами, а из второй выбрана индукционная поверх­ ностная закалка, которая очень широко применяется как сред­ ство повышения износостойкости, но почти не исследована в отно­ шении влияния на выносливость деталей при кручении. Обкатка роликами и поверхностная закалка являются, повидимому, наи­ более перспективными методами упрочнения крупных деталей

ипредставляют, следовательно, особый интерес для тяжелого машиностроения.

Эффективность поверхностной электрозакалки, как средства повышения циклической прочности деталей машин, была убеди­ тельно показана в работах Н. Н. Зайцева (71, И. В. Кудрявцева

иВ. Н. Новикова 1161, И. Н. Кидина (91 и других исследовате­ лей. Однако испытания велись при циклическом изгибе.

157

с необработанными (нормализованными). Представляется сомни­ тельным, чтобы этот результат можно было объяснить отличием вида напряженного состояния. Причину скорее следует искать в другом. В то время не удалось преодолеть технические труд­ ности, с которыми связана достаточно равномерная закалка всей ответственной части образца, имеющего специфическую форму. Усталостные изломы неизменно происходили в галтелях, где закаленный слой, по существу, обрывался.

И. В. Кудрявцев и В. Н. Новиков [17], испытывая позднее на переменный изгиб образцы с частичной по длине поверхностной закалкой, обнаружили, что место обрыва закаленного слоя является ослабленным. Поскольку нет основания ожидать при кручении качественно другой картины, отрицательный результат опытов Э. В. Шлейера и И. А. Одинга можно рассматривать как следствие этого последнего факта. Тем не менее, возможность положительного влияния поверхностной закалки на выносливость деталей при кручении до настоящей работы экспериментально подтверждена не была.

Описанию своих опытов автор предпосылает в настоящей статье изложение некоторых общих вопросов теории, облегчаю­ щее понимание особенностей сопротивления поверхностно упроч­ ненных деталей циклическим нагрузкам и в значительной части необходимое для объяснения полученных экспериментальных данных.

Поверхностная слабость металлических деталей

В литературе не раз высказывались предположения о том, что поверхность металлического тела уже в силу того, что она является границей металла, обладает при циклических нагрузках пониженной прочностью. Замечания в таком смысле имеются в работах Н. Н. Давиденкова [5], И. В. Кудрявцева, М. М. Саверина и А. В. Рябченкова [18], Л. А. Гликмана и В. А. Степа­ нова [3]. Рассмотрим некоторые обстоятельства, которые косвенно указывают на справедливость этих замечаний.

Рентгенографические измерения параметра кристаллической решетки металлических образцов после статического растяжения или сжатия последних за предел текучести выявляют наличие остаточных изменений параметра, противоположных тем, которые имели место при деформировании. Н. Н. Давиденков [61 показал, что изменения параметра можно объяснить действием остаточных напряжений первого рода, появляющихся в связи с неоднород­ ным по сечению образца протеканием пластической деформации. Кристаллы, прилегающие к поверхности, находятся, по мнению Н. Н. Давиденкова, в условиях, особенно благоприятствующих деформации, так как имеют соседей только с одной стороны. Металл в поверхностном слое сопротивляется деформации слабее и начинает течь раньше, чем в середине образца. В результате этого после снятия нагрузки в образце возникают остаточные

158

напряжения, которые на периферии образца обратны по знаку напряжениям от нагрузки.

В работе Л. А. Гликмана, Т. П. Сапфировой и В. А. Степа­ нова [2] наличие остаточных напряжений в растянутых образцах установлено путем стравливания тонких слоев металла и изме­ рения деформации образцов. Построенные эпюры остаточных напряжений позволили заключить, что толщина ослабленного слоя ие превышает для исследованного материала (сталь 30) одной десятой миллиметра. Результаты недавних рентгенографи­ ческих измерений Б. М. Ровинского [24], взявшего под сомне­ ние гипотезу ослабленного поверхностного слоя, по существу не опровергли ее, но свидетельствуют, однако, о том, что пред­ ставления о слабости периферийной зоны, как следствие неко­ торой «свободы» кристаллитов, являются, возможно, слишком упрощенными. Эта работа указывает на отсутствие явной связи между размерами зерна и толщиной ослабленного слоя.

Л. А. Гликман, Т. П. Саифирова и В. А. Степанов [2] спра­

деляли микротвердость ряда чистых металлов и сплавов при различных нагрузках на индентор и нашли, в частности, что во всех случаях наиболее низкое значение микротвердости наблю­ дается при минимальной нагрузке, т. е. при наименьшей глубине проникновения индеитора.

Таким образом, есть основания полагать, что при статических нагрузках пластическая деформация протекает в периферийной зоне металлического тела легче, чем во внутренних областях его. Возможно, что то же самое следует отнести к циклической пластиче­ ской деформации, с которой связан процесс «уставания» металла.

Поверхностный слой оказывается, повидимому, относительно слабым и с точки зрения хрупкой прочности. Известен [33], например, факт более чем четырехкратного повышения прочности (при статическом изгибе) полированных стеклянных брусков в результате закалки, вызывающей на поверхности стекла сжи­ мающие остаточные напряжения. Следовательно, поверхность стекла даже в полированном состоянии сопротивляется разру­ шению гораздо хуже, чем сердцевина. Вероятно это следует объяснять не только местным повышением напряжений от микро­ скопических неровностей, но и тем, что само наличие границы сплошности понижает хрупкую прочность материала.

Вряд ли можно сомневаться в том, что усталостное разрушение металла включает некоторые элементы отрыва; об этом свиде­ тельствует уже сам непластичный, сухой характер излома. Сле­ довательно, приведенный пример со стеклом также говорит в пользу предположения о существовании особого краевого •эффекта в явлении усталости металлов.

Детали машин нередко подвергаются действию агрессивных сред, которое сказывается, как это совершенно очевидно, в первую

159

очередь на поверхностном слое. Хорошо известно, что в коррозионной среде металлы значительно хуже сопротивляются усталости, чем на воздухе. А. В. Рябченков [25] приводит диа­ грамму, показывающую влияние коррозионных сред на услов­ ный предел выносливости (база испытаний 5-107 циклов) целого ряда материалов. Из диаграммы видно, в частности, что предел выносливости образцов из улучшенной углеродистой стали (0,16% С) составляет при испытании в пресной воде только 56% от предела, определенного на воздухе. Снижение пределов вынос­ ливости высокопрочных легированных сталей оказывается еще более значительным. При этом надо учесть, что воздух лаборато­ рии не может в сущности рассматриваться как вполне нейтраль­ ная среда. Предел выносливости стальных образцов повышается при испытании в вакууме на 2—5% [34].

Даже смазочные масла, и те, как показали опыты Г. В. Кар­ пенко [8], все в большей или меньшей степени ослабляют сопро­ тивление стали усталости. Например, касторовое масло, которое считается высококачественной смазкой для двигателей, снизило предел выносливости образцов из стали 40Х на 16% (по сравне­ нию с пределом, определенным в сухом воздухе). Причиной такого влияния масел является, очевидно, уже не коррозия, а эффект Ребиндера [23].

В процессе изготовления детали машин подвергаются различ­ ным операциям, которые могут приводить к изменению свойств металла поверхностного слоя по сравнению со свойствами металла внутренних областей. Довольно часто это изменение происходит в направлении ослабления поверхностного слоя. Так, например, существенное падение выносливости внешних слоев вызывается обезуглероживанием, наблюдающимся при термической обра­ ботке деталей. М. М. Кобриным и А. А. Самариным были испытаны на выносливость при изгибе образцы из стали 45 с обезуглероженной поверхностью и без этого дефекта. Соответствующие пределы выносливости определены в 20,7 и 27,7 кг/мм*. Уменьшение выносливости за счет обезуглероживания составило, следовательно, 25%. Образцы обрабатывались в этом случае на твердость (в сердцевине) около 175 единиц по Бринеллю. При термической обработке на большую твердость последствия обез­ углероживания могут быть еще серьезнее.

При шлифовании закаленных изделий бывают случаи местного нагрева, приводящего к отпуску стали, который, конечно, резко изменяет ее циклическую прочность.

Наконец, поверхность детали имеет обычно следы резца, шлифовального круга, следы ударов и другие мелкие неровности технологического и эксплуатационного происхождения. Хотя эти неровности действуют как концентраторы напряжений, резуль­ тат в конечном счете получается такой же, как если бы они умень­ шали выносливость металла, — номинальная сопротивляемость периферийного слоя падает.

160