книги / Некоторые вопросы усталостной прочности стали
..pdfПредел выносливости азотированного слоя в значительной степени зависит от остаточных напряжений сжатия, что показы вает диаграмма пределов выносливости при растяжении — сжатии, представленная на фиг. 10. В области сжимающих напряжений предел выносливости, выраженный в амплитудах для азотирован ного слоя, увеличивается с ростом средних напряжений по срав нению с симметричным циклом в два с лишним раза. Материал
|
|
|
ба |
j |
А |
120 |
|
|
|
||
/ |
С , |
|
ffl? |
. |
|
|
|
|
|
СП |
|
|
V |
|
ои |
|
|
|
|
|
к2 |
|
|
|
|
|
2 0 |
300Ж №240220200180160140 120100 80 60 40 20 |
0 |
20 40 60 80 |
|
- -------- |
Сжатие |
Растяжение— - |
|
Фиг. 10. Диаграмма пределов выносливости при рас- |
|||
тяженни-сжатии: |
|
|
|
1 — азотированный слой; 2 —сердцевина. |
|||
сердцевины слабее увеличивает амплитуду усталости в области сжимающих напряжений. Сопоставим значения максимальных напряжений на поверхности для различных конструктивных форм моделей при пределе выносливости (табл. 4) с диаграммой пределов выносливости азотированного слоя.
Как видно из табл. 4 ,максимальные напряжения на поверх ности имеют одинаковое значение при равных коэффициентах концентрации. При этом с ростом коэффициентов концентрации
от а 0 = 1,58 до |
а„ = 3 максимальные |
напряжения увеличи |
|
ваются с 70 до 100 кг/мм2. На диаграмме |
(фиг. 10) это соответ |
||
ствует наличию |
остаточных напряжений |
сжатия от |
70 до |
120* кг!мм2. Цифра 70 кг/мм2 (иижний предел остаточных |
напря |
||
жений) соответствует гладким образцам. С ростом кривизны поверхности значения остаточных напряжений для глубоких
канавок |
по наименьшему сечению, повидимому, увеличиваются. |
|
График зависимости максимальных напряжений в азотиро |
||
ванных |
моделях от |
коэффициентов концентрации представлен |
на фиг. |
11 поданным |
табл. 4. Равенство максимальных, а сле |
довательно, и номинальных напряжений при одинаковых коэф фициентах концентрации дает основание пользоваться формулой:
_ = W <
а<1 Таким образом, зная коэффициент концентрации <х0 и пользуясь
графиком фиг. II, можно определить номинальные напряжения для детали.
При расчете следует проверять также прочность подслойной зоны, для чего необходимо располагать распределением приве-
* |
211 |
денных напряжений |
в опасном |
сечении детали. Эти дан |
ные представлены на |
фиг. 2. |
Для проверки надо вычис |
ленное номинальное напряжение умножить на коэффициент кон центрации на данной глубине. Полученное от умножения значение
напряжения надо сравнить с пределом |
выносливости сердце |
|||||
|
вины, при этом следует иметь |
|||||
|
в виду, |
что |
остаточные |
на |
||
|
пряжения сжатия могут спо |
|||||
|
собствовать увеличению |
пре |
||||
|
дела |
выносливости |
сердце |
|||
|
вины. Сжимающие напряже |
|||||
|
ния равны пулю в точке, |
|||||
|
которая |
находится |
на |
рас |
||
|
стоянии от поверхности, |
рав |
||||
|
ном удвоенной глубине слоя. |
|||||
|
Такая закономерность полу |
|||||
|
чена |
на |
гладких образцах; |
|||
аб |
для образцов, имеющих кои- |
|||||
цеитрацию напряжений, рас |
||||||
|
пределение |
остаточных |
на |
|||
|
пряжений может быть |
дру |
||||
|
гим. Вычисленные |
значения |
||||
Фиг. 11. Зависимость максимальных |
напряжений |
на |
границе |
|||
напряжений в азотированных моделях |
азотированного слоя И в точ- |
|||||
от коэффициентов концентрации. |
ке ^ |
|
предполагаетС(1 |
р а . |
||
венство нулю остаточных напряжений, приведено в табл. 4. Как видим, напряжения на границе азотированного слоя
превышают предел выносливости при симметричном цикле на 15—50%. Величина этих напряжений существенно зависит от глубины слоя. Так, в случае плоской модели с канавкой при р = 1,8 глубина слоя меняется от 0,25 до 0,6—0,65 мм, и напря
жение на границе слоя |
при |
этом равно |
соответственно 71 и |
||
|
|
|
|
|
Таблица 4 |
|
|
|
Максимальное |
Напряже |
Напряжения |
Формы вала |
|
напряжение |
ние |
п точке, где оста |
|
|
на поверхности |
на границе |
точные напряже |
||
|
|
|
°max Dкг1л1М* |
слоя |
ния раоны нулю, |
|
|
|
|
|
о0 = 0 |
Плоский с канавкой . . |
^ 1*5 |
72 |
61.5 |
53 |
|
Круглый с |
канавкой . . |
72,5 |
55,5 |
50 |
|
Плоский с |
канавкой . . |
—2 |
81,5 |
62 |
51 |
Круглый с |
канавкой . . |
83,5 |
55,5 |
46 |
|
Круглый с |
буртом . . • |
|
83 |
59,5 |
49 |
Плоский с |
канавкой . . |
~ 3 |
99 |
71 |
56 |
Круглый с канавкой . . |
100 |
50 |
3 6 -4 0 |
||
Круглый с буртом . . . |
|
95 |
— |
|
|
212
50 кг!мм2. Если бы разрушение определялось напряженностью ■точки на границе азотированного слоя, то глубина слоя должна была бы сильно влиять на величину предела усталости; однако равенство номинальных напряжений показывает, что напряжен ность в этих точках не является определяющей для прочности. В точке, где предположительно остаточные напряжения равны нулю, напряжения от нагрузки превышают предел выносливости сердцевины на 4,5—27%, причем большая цифра соответствует
плоской модели с канав- |
|
|
|
|
^ Нг. |
г |
|
|
||||||||||
кой |
при |
р = |
1,8 |
мм |
и |
|
|
S |
|
30'у ' |
|
|
|
|||||
глубине |
слоя |
0,25 |
мм. |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
Значения |
|
действующих |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
напряжений |
в |
этой |
|
точке |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
уже |
достаточно |
|
близко |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
соответствуют пределу вы |
|
|
|
|
20 |
|
|
|
||||||||||
носливости |
|
сердцевины. |
|
|
|
|
|
|
|
ч |
||||||||
На основании |
осмотра из |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
ломов можно сказать, что |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
разрушение |
подслойное |
в |
|
|
|
|
10 |
|
|
|
||||||||
данном |
случае |
не |
|
имеет |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
места; |
к |
этому |
выводу |
40 |
30 |
20 |
10 |
0 |
20 |
30 |
40ёт |
|||||||
можно также придти, если |
||||||||||||||||||
Фиг. |
12. |
Зависимость предела |
выносливо |
|||||||||||||||
взять |
модели, |
|
имеющие |
|||||||||||||||
различную |
глубину |
слоя. |
сти при кручении от статических нор |
|||||||||||||||
|
|
мальных |
напряжений. |
|
||||||||||||||
Напряжения |
в |
вышеобо- |
|
56 до 40,5 кг!мм2при глубине |
||||||||||||||
значенной |
точке |
изменяются |
||||||||||||||||
слоя соответственно |
|
0,25 и 0,6 мм, а пределы выносливости пра |
||||||||||||||||
ктически остаются без изменения. Это говорит о том, |
что в дан |
|||||||||||||||||
ном случае и эта точка не является определяющей прочность. Рост упрочняющего эффекта с ростом коэффициентов кон
центрации может объясняться также влиянием градиента напря жений. Чем выше • концентрация напряжений, тем выше гра диент, а более высокому градиенту соответствует больший эффект повышения прочности.
Расчет на кручение умеренно твердых азотированных слоев производится согласно данным испытаний при переменном круче нии и при искусственно созданных остаточных напряжениях. Такие ■опыты были проведены ранете [5], и данные для хромоникелевой стали представлены на фиг. 12. Как видно из фиг. 12, существует линейная зависимость предела выносливости при переменном кручении от статических нормальных напряжений, действующих в этих же площадках. Эту зависимость можно выразить следую щим образом
где (^-1)0 — предел выносливости при наличии остаточных напря жений;
*c_, — предел выносливости при симметричном цикле;
находится всегда в сердцевине. При наличии концентрации напряжений, если судить по виду излома, начало разрушения может находиться и в сердцевине, и на поверхности; как правило, в сердцевине начало разрушения при наличии концентрации бывает редко.
На фиг.' 13 представлен характер распространения трещин в модели с глубокой канавкой при кручении. На поверхности дна канавки можно заметить трещины, расположенные парал лельно продольной оси, которые в дальнейшем развиваются по линиям действия нормальных напряжений. Это указывает на вероятность возникновения трещины усталости в площадках, плоскость которых проходит через Продольную ось; в этих пло щадках действуют кольцевые остаточные напряжения.
Выводы
1.Испытание моделей из термоооработанной хромоникельмолибденовой стали показало, что эффективные коэффициенты концентрации при изгибе на 20—30% меньше тех, которые полу чены из упругого распределения напряжений. С ростом коэффи циента концентрации чувствительность уменьшается; при круче нии эффективные коэффициенты концентрации совпадают с дан ными упругого распределения напряжений.
2.Эффективность повышения прочности от азотирования при изгибе с ростом концентрации (а, = 1,59 -г- 3) растет и соста вляет 32—50%; при кручении эффективность повышения проч ности практически оказалась не зависящей от концентрации (—50%).
3. Увеличение глубины азотированного слоя более 0,2 мм не приводит к повышению прочности при наличии концентрации напряжений.
. 4. Прочность сердцевины оказывает существенное влияние на номинальную прочность при малых концентрациях или при ■больших концентрациях и малых глубинах слоя.
5. Повышение прочности зависит от сопротивления слоя усталости в связи с остаточной напряженностью; при проверке прочности детали следует проверять прочность слоя и сердце вины.
|
|
|
|
ЛИТЕРАТУРА |
|
|
|
|
|
|
1. |
Н е й б е р |
Г., |
Концентрация |
напряжения, |
OI ИЗ, 1947. |
выточкой, |
||||
2. |
А ф а н а с ь е в |
Н. Н ., О пределе усталости |
образцов |
с |
||||||
Ж урн. |
техн. физики, т, VI, вып. 8, 1936. |
1945. |
|
|
|
|
||||
3. |
P e t e r s o n |
R ., ASTM Bull, March, |
|
Влияние |
азотирова |
|||||
4. |
С е р е н с е н |
С. В., К о н т о р о в и ч |
И. Е., |
|||||||
ния на |
усталость |
конструкционной |
стали, Оборонгиз, |
1947. |
при перемен |
|||||
5. |
Б а л а ш о в |
Б. Ф., Прочность азотированной |
детали |
|||||||
ных напряжениях, Сборник № 7, Оборонгиз, |
1952. |
|
|
|
|
|||||
С О Д Е Р Ж А Н И Е
Предисловие ............................................................................................................ |
|
|
3 |
Л. А. Гликман и В. П. |
Тэхт. К вопросу о физической природе |
||
процесса усталости .м еталла................................................................................. |
|
5 |
|
Я. М. Пульцин. Влияние поверхностного упрочнения на предел |
|||
выносливости и остаточные напряжения в с т а л и ......................................... |
29' |
||
С. И. Кутковский.Усталостная |
прочность при индукционной |
||
закалке углеродистой с т а л и |
................................................................................. |
|
40 |
А'. В. Рябченков и Е. Л. Казимировская. Влияние атмосферной |
|||
коррозии на усталостную прочность стали и методы поверхностного |
|||
упрочнения ................................................................................... |
|
|
чистом |
В. А. Быков. Исследование усталости стали при плоском |
|||
изгибе ....................................................................... |
|
; ............................................ |
83 |
С- В. Серенсен. О сопротивлении усталости при сложном напря |
|||
женном состоянии и симметричном ц и к л е ........................................................... |
102 |
||
Л. А. Козлов. Сопротивление усталости при неустановившихся |
|||
режимах ........................................................................................................................ |
|
|
116 |
В. Я . Коеаев. Сопротивление усталости в связи с концентрацией |
|||
напряжений и абсолютными |
р азм ер ам и ........................................................... |
126- |
|
М. Я- Шашин. Вопросы перенапряжений и наклепа при уста |
|||
лости металлов ........................................................................................................... |
|
|
140 |
О. О. Куликов. Об эффективности упрочняющей поверхностной |
|||
обработки при кручении ....................................................................................... |
|
|
156 |
В. Г. Гуревич, С. И. Синдлер |
и Е. В. Трунина. Дробеструй |
||
ный наклеп цементованных |
шестерен ............................................................... |
187 |
|
Б. Ф. Балашов. Повышение прочности деталей путем азотирова |
|||
ния в связи с напряженным состоянием и свойствами с л о я .................... |
200- |
||
|
Редактор Т. Л. Лейкина |
|
|
Технический редактор Е. А . Длугоканская |
|
Корректор Е. С. Кушлю- |
|
|
Обложка художника А. А. Адамовича |
|
|
Подписано к печати 19/VIII 1953 г. |
М-39633. |
Формат бумаги 60X92'/i |
|
Печ. листов 13,5. |
Уч.-изд. листов 13,6. |
|
|
1-я типография Машгиэа, Ленинград, ул. Моисеенко, 10