книги / Некоторые вопросы усталостной прочности стали

подвергалась воздействию коррозионной среды, создаваемой внутри ванночки (фиг. 4).

В том случае, когда необходимо было создать вторую среду — влажность воздуха, на дно ванночки через боковое отверстие нали­ валось 100 см8 дистиллированной воды. При этом объеме воды рабочая поверхность образца располагалась над водой и подвер­ галась коррозионному воздействию влажного воздуха.

Для создания третьей среды на дно ванночки наливался рас­ твор сернистой кислоты концентрации 0,02 и. В этом случае над раствором мы имели S 0 2, Н 20 и воздух в количествах, указанных

в табл. 1.

Таблица 1

С о с т а в а т м о с ф е р ы н а д р а с т в о р о м 0 ,С 2 н . H 2S 0 3 п р и т е м п е р а т у р е 2 5 °

Таблица 2

Р е з у л ь т а т ы к о р р о з и о н н о - у с т а л о с т н ы х и с п ы т а н и й с т а л и 4 5 в у с л о в и я х а т м о с ф е р н о й к о р р о з и и

72

Из этих данных видно, что влажный воздух снижает предел выно­ сливости в сравнении с комнатным воздухом на 11,5%, а влаж­ ный воздух, содержащий 0,27% S02, снижает предел выносли­ вости на 18,2%.

На основании проведенных экспериментов можно заключить, что сопротивление коррозионной усталости стали 45 заметно понижается в атмосфере влажного воздуха и особенно в присут­

коррозионно-усталостные испытания в среде чистого влажного воздуха и в среде влажного воздуха с примесью сернистого газа, были выявлены (в зоне максимального напряжения) трещины коррозионной усталости.

На фиг. 6 представлена трещина коррозионной усталости, обнаруженная вблизи опасного сечения после 117 час. испытания

внимания тот факт, что обнаруженная трещина берет свое начало с дна коррозионного изъязвления. Последнее обстоятельство дает большое основание предполагать, что это изъязвление и

73

Поверхностные виды упрочнения как средство повышения коррозионно-усталостной прочности в условиях атмосферной коррозии

У деталей машин, работающих в условиях динамических нагрузок, поверхностные слои металла обладают пониженной усталостной прочностью. Понижение усталостной прочности поверхностных слоев вызвано наличием в них большого числа концентраторов напряжений как конструктивного, так и техноло­ гического характера. Кроме того, в реальных условиях эксплуа­ тации деталей, работа которых связана с крутящими и изгибаю­ щими циклическими нагрузками, поверхностные слои испытывают максимальные напряжения от внешних нагрузок. Вполне понятно поэтому, что циклическая прочность всей детали в целом в силь­ ной степени зависит от состояния поверхностного слоя.

В современном машиностроении в целях повышения цикли­ ческой прочности и долговечности деталей машин находят широкое применение различные способы поверхностного упрочнения сталь­ ных изделий, как-то: холодный наклеп, индукционная закалка током высокой частоты, термохимическая обработка.

Многими советскими исследователями [4, 5, 6, 7] показано, что усталостная прочность изделий в результате перечисленных видов обработки резко повышается за счет образующихся в про­ цессе упрочнения в поверхностном слое благоприятных остаточ­ ных напряжений сжатия, а также за счет самого упрочнения (изме­ нения физико-механических свойств поверхностных слоев металла).

Фактор упрочнения может играть значительную роль в повы­ шении усталостной прочности лишь для гладких изделий, не имею­ щих резких концентраторов напряжений, тогда как для изделий, имеющих резкие концентраторы напряжений, основную роль в повышении усталостной прочности играют остаточные сжимаю­ щие напряжения 16].

Работами, выполненными в ЦНИИТМАШ [8, 9], показано, что наклеп дробью, обкатка роликами и поверхностная электро­ закалка являются весьма эффективными средствами для повыше­ ния коррозионно-усталостной прочности конструкционной стали в растворах электролитов.

Основная причина повышения коррозионно-усталостной проч­ ности связана с наличием остаточных сжимающих напряжений в поверхностном упрочненном слое. Эти напряжения препятствуют превращению равномерной коррозии в сосредоточенную и таким образом затрудняют развитие коррозионно-усталостных трещин. Иначе говоря, поверхностное упрочнение в условиях коррозион1ной усталости затормаживает развитие электрохимической неод­ нородности поверхности металла [9].

Степень электрохимической неоднородности поверхности металла может быть количественно выражена разностью потен­ циалов катодных и анодных участков. Исследованием разности

75

потенциалов и силы тока пары образцов (несущего напряжение от внешней нагрузки и свободного от напряжения) было подтвер­ ждено сделанное предположение о причинах повышения корро­ зионно-усталостной прочности упрочненных образцов.

Оказалось, что переменные напряжения вызывают наибольшую разность потенциалов в паре неупрочненных образцов, тогда как наименьшая разность потенциалов возникает в паре поверхностнозакаленных образцов, т. е. как раз тех, которые дали наибольшее повышение предела выносливости.

В первой части настоящей статьи установлено, что в зави­ симости от состава атмосферы и влажности воздуха циклическая прочность конструкционной стали может изменяться. Особенно заметное снижение усталостной прочности вызывала атмосферная коррозия, протекающая в присутствии сернистого газа. Поэтому перед авторами встала задача отыскания способов повышения усталостной прочности в условиях атмосферной коррозии. Однако настоящая работа не исчерпывает полностью затронутой проблемы,' так как она имеет своей основной целью проверить эффективность некоторых освоенных в промышленной практике методов упроч­ няющей технологии, как средства повышения сопротивляемости коррозионно-усталостному разрушению при атмосферной кор­ розии.

Были проверены три вида поверхностного упрочнения: холод­ ный наклеп дробью, поверхностная электрозакалка и антикор­ розионное азотирование.

Все коррозионно-усталостные испытания проводились на маши­ нах ЯК-8 по методике, подробно описанной в первой части настоя­ щей статьи.

Перед изготовлением образцов заготовки стали проходили нормализацию при температуре 840—860°.

Испытания проводились в двух коррозионных средах: I) на воздухе (с относительной влажностью 56%) и 2) во влажном воз­ духе (с относительной влажностью, близкой к 100%), содержа­ щем 0,27% SOz.

адолговечность увеличивается в 10 раз.

Внастоящее время установлено, что наклеп от холодной пласти­ ческой деформации действует благоприятным образом на повыше­ ние прочностных характеристик металла и, в частности, на уста­ лостную прочность. Пластические свойства металла в результате наклепа изменяются несущественно, тогда как чувствительность

7 6

к концентраторам напряжений с ростом степени наклепа значи­ тельно понижается 16]. На циклическую прочность металла поверхностный наклеп действует по двум направлениям: он повы­ шает выносливость металла в поверхностной зоне и в то же время вызывает благоприятные изменения напряженности в этой зоне.

Обработка поверхности холодным наклепом повышает также коррозионно-усталостную прочность в нейтральных и слабо­ кислых коррозионных средах.

Исследованием, проведенным в ЦНИИТМАШ [9], было полу­ чено повышение предела коррозионной выносливости от наклепа дробью образцов стали 45 в трехкратном растворе NaCl на 102%,

зионно-усталостному разрушению в условиях атмосферной кор­ розии.

Для выяснения этого положения были проведены коррозионно­ усталостные испытания при атмосферной коррозии наклепанных образцов стали 45. Наклеп образцов осуществлялся на дробе­ струйной установке в ЦНИИТМАШ [11]. Для наклепа употребля­ лась чугунная дробь диаметром 0,8—1,2 мм. Скорость вращения диска дробемета составляла 3000 об/мин. Время обдувки — 3 мин. Дробеструйному наклепу подвергалась вся рабочая поверхность образца.

Результаты коррозионно-усталостных испытаний, проведенных на базе 20-106 циклов, представлены на фиг. 8, 9.

Фиг. 9 показывает, что влажный воздух в присутствии серни­ стого газа снизил предел выносливости наклепанных дробью образцов с 35 до 31 кг/мм2, т. е. на 11,5%. Однако, сравнивая кривые коррозионной усталости, полученные в результате испыта­ ния неупрочнениых и упрочненных наклепом дробью образцов в атмосфере влажного воздуха, содержащего 0,27% S02 (фиг. 9), отчетливо видим, что наклеп дробью повысил предел коррозион­ ной выносливости в этой среде с 24 до 31 кг!мм2, т. е. на 29%.

Таким образом, можно считать установленным, что наклеп дробью может быть применен как средство повышения устало­ стной прочности конструкционной стали при атмосферной корро­ зии (влажный воздух, содержащий S02).

Металлографическим анализом образцов, прошедших корро­ зионно-усталостные испытания в условиях атмосферной корро­ зии, выявлены в зоне опасного сечения наклепанных дробью образцов трещины коррозионной усталости.

На фиг. 10 представлена микрофотография характерной тре­ щины коррозионной усталости, обнаруженной на поверхности наклепанного образца вблизи излома, после испытания его во влажном воздухе в присутствии двуокиси серы при напряжении а = 31,5 кг!мм2, близком к пределу выносливости. Эта трещина

77

имеет внутрикристаллитный характер и является типичной кор­ розионно-усталостной трещиной. Она так же, как было нами обнаружено для неупрочнениых образцов стали 45 после испыта­ ния их в аналогичных коррозионных условиях, берег свое начало с дна коррозионного изъязвления. Коррозионное изъязвление здесь, вероятно, служило зародышем трещины коррозионной усталости, которая в условиях циклических напряжений получила свое дальнейшее развитие.

и с п ы т а н и й п о в е р х н о с т н о - з а к а л е н н ы х о б ­

износостойкости трущихся поверхностей, а также как средство повышения усталостной прочности изделий.

В настоящее время не вызывает сомнения эффективность поверх­ ностной электрозакалки для деталей, работающих на усталость. Известно много случаев увеличения срока службы ответственных деталей в результате применения электрозакалки. Например, на одном ленинградском заводе применение электрозакалки для упрочнения тракторных полуосей полностью устранило их раз­ рушение.

78