книги / Усталость металлов

Паяные соединения

Сопротивление усталости паяных 'соединений в основном за­ висит от качества соединения и на него мало влияет основной металл. Некоторые значения, полученные для соединений, спаян­ ных встык, приведены в табл. 66. Для использования при высо­ ких температурах разработаны паяные никелехромовые соедине­ ния, имеющие высокое сопротивление усталости [540].

Сопротивление усталости деталей

Подшипники скольжения. Большинство разрушений, происхо­ дящих в подшипниках скольжения, вызывается усталостью, и, сле­ довательно, значительное внимание уделяется вопросу улучше­ ния их сопротивления усталости. Однако существенно, чтобы ма­ териалы подшипников имели низкий коэффициент трения и были достаточно мягкими, чтобы не вызывать чрезмерного износа шей­ ки вала. Эти требования имеют тенденцию не совмещаться с высокой сопротивляемостью усталости. Сплавы на оловянной и свинцовой основах обладают большинством свойств, требуемых для материала подшипника, и являются удовлетворительными для применения во многих случаях, но их низкое сопротивление усталости делает их неподходящими для тяжелых условий рабо­ ты. Для тяжелых условий нагружения эти материалы заменяют­ ся высокопрочными сплавами, такими как медно-свинцовые или алюминиево-оловянные, и шейки вала упрочняются для обеспече­ ния сопротивления износу.

Напряженное состояние, возникающее при работе подшипни­ ков, является сложным. Основным переменным напряжением яв­ ляется сжимающее, а растягивающие напряжения возникают в продольном и окружном направлениях и вызывают образование усталостных трещин. Растягивающие напряжения могут также быть результатом изгиба вкладыша антифрикционного слоя или самого подшипника или результатом колебания температуры. До­ статочно большие термические напряжения могут возникать в материалах подшипника в процессе отливки, а переменные тер­ мические напряжения появляются в результате изменения темпе­ ратуры во время работы. Они будут особенно значительными, когда коэффициенты термического расширения антифрикционно­ го слоя и материала вкладышей существенно различаются, как например для свинцовых или оловянных сплавов на стальном вкладыше. Кроме того, в олове термические напряжения появля­ ются даже тогда, когда металл находится в ненапряженном со­ стоянии, как результат анизотропии термического расширения [541]. Перед усталостным разрушением на поверхности подшип­ ника образуется сетка трещин. Эти трещины медленно распрост­ раняются внутрь соединения, металла подшипника с вкладышем или в сторону, так что подшипник разрушается на ряд мелких частей.

260

Характеристики подшипникового сплава не могут просто оце­ ниваться по пределу усталости гладких образцов и поэтому для испытаний натурных подшипников в условиях, приближающих­ ся к рабочим, сконструирован ряд специальных машин [542, 543]. В табл. 67 показаны некоторые типичные результаты таких ис-

Т а б л и ц а 67

Характеристики материалов для подшипников с жидкой смазкой [544]

Характеристика износа: 1 — наименьший износ вала; 2 — наибольший износ вала. Характеристика наволакивания: 1 — наименьшая тенденция наволакивания при условии

обеднения масла; 4 — наибольшая тенденция.

Характеристика коррозии: 1 — без разрушения; 4 — заметное разрушение при содер­ жании кислоты в масле.

*Износ подшипника на свинцовой основе в некоторой степени выше,

ной.

**Не используется для высоких переменных нагрузок.

пытаний, приведенные Форрестером [544], который рекомендовал преднамеренно жесткие условия, создаваемые испытательной машиной, чтобы при более благоприятных условиях все материа­ лы могли бы выдерживать большие усталостные нагрузки. Во всех испытаниях материал вкладыша укладывался на стальную основу. Пределы усталости рассчитываются по максимальной нагрузке на проекцию поверхности подшипников.

Сравнение усталостных характеристик подшипниковых спла­ вов более подробно рассматривалось Касбертсоном [542].

Шариковые и роликовые подшипники. Условия нагружения в шариковых и роликовых подшипниках особенно тяжелы из-за небольшой площади контакта между элементами качения и на­ правляющими канавками и, так как возникающие напряжения повторяются при прохождении каждого элемента, усталость яв­ ляется типичным разрушением. Поэтому необходимы стали с высоким пределом усталости и сопротивлением износу и для этой цели специально разработаны стали с 1% С и 1,5% Сг. Сжи­ мающие напряжения до 157—314 кГ/мм2 могут возникать на поверхности контактной площадки, но было показано [115, 545], что усталостные разрушения обычно распространяются от обла­ сти максимального касательного напряжения, которая возникает под поверхностью. Это приводит к характерному типу осповид­ ного разрушения, при котором мелкие кусочки металла отделя­ ются от контактирующих поверхностей подшипника.

Был спроектирован ряд машин для испытания шариковых и роликовых подшипников [545—547] и определения влияния на долговечность таких факторов, как смазка и абразивный износ. Испытания, проводимые на этих машинах, дают большой раз­ брос получаемых результатов, отклонение в долговечности при данной' нагрузке часто достигает 50 к 1. В результате этого обычно проводят большое число испытаний, по крайней мере 20 на каждом уровне нагрузки, чтобы сравнить результаты на данной базе, для определения, например, нагрузки, дающей в результате 10% разрушений для данной долговечности [548]. Большую часть этого разброса можно, видимо, отнести за счет высокого разброса, свойственного высокопрочным сталям, при­ меняемым для роликовых подшипников. Было найдено, что дол­ говечность подшипников может возрасти при устранении вклю­ чений в стали, но это не уменьшает разброс [115].

Обширные испытания на усталость шариковых и роликовых подшипников проводились Палмагреном и др.; по результатам этих испытаний оказалось возможным вывести эмпирические зависимости для вычисления долговечности. Было установлено, что долговечность изменяется приблизительно обратно пропор­ ционально изменению третьей степени нагрузки на подшипник. Эти закономерности сохраняются вплоть до долговечности по крайней мере 109 циклов и нет признака существования предела усталости [115].

Зубчатые передачи. Большинство разрушений зубчатых пере­ дач вызывается разрушением зуба в основании в результате повторных изгибающих напряжений или выкрашиванием зуба по поверхности контакта. Излом, происходящий у основания зу­ ба, является обычным усталостным разрушением, трещина рас­ пространяется от галтели, где напряжение наибольшее. Такие разрушения могут быть результатом применения слишком мало­ го радиуса сопряжения или, в поверхностно закаленных шестер-

262

нях,— результатом возникновения растягивающих напряжений на краю зоны упрочнения на впадине. Выкрашивание зуба по поверхности контакта также является результатом усталости и подобно разрушениям, происходящим в шариковых и роликовых подшипниках [345].

Сопротивление усталости при изгибе определялось нагруже­ нием вершины отдельного зуба на гидравлическом пульсаторе, значения предела усталости при изгибе (табл. 68) рассчитывали

Т а б л и ц а 68

Предел усталости при изгибе для полностью закаленных и цементованных зубчатых колес

обычным способом, причем зуб рассматривали как консольную балку и принимали во внимание влияние концентрации напряже­ ния. Зубчатые колеса, применяемые для этих испытаний, были с диаметральным шагом, равным 7, углом давления 22,5°, числом зубьев 34; высота головки 3 мм, полная высота 8,2 мм. Цементи­ руемые зубья значительно лучше сопротивляются усталости, чем объемно закаливаемые; добавление свинца для улучшения обра­ батываемости понижает предел усталости приблизительно на 30%. В последующих испытаниях был получен более низкий

263

предел усталости зубчатых колес с упрочнением индукционной закалкой, но это было, видимо, следствием неполного упрочне­ ния, потому что результаты, полученные при упрочнении индук­ ционной закалкой, сравнимы с результатами при цементации. Дальнейшие испытания показали, что шлифование науглероженных впадин зуба может быть очень опасным, но что улучшение на 15—20% можно получить дробеструйной обработкой. Обшир­ ные усталостные испытания на изгиб зубьев зубчатых колес про­ водились в США, применение результатов для проектирования описано Колеманом [549].

Испытания по определению сопротивления выкрашиванию проводились MJRA при обкатывании пары зубчатых колес. Уста-

Рис. 137. Усталостные кри­ вые сопротивления выкра­ шиванию зубьев зубчатых колес из разных сталей (р — удельное давление на боко­ вую поверхность зуба) [345]:

(сталь покрытая свинцом); 7 —

новлено, что необходимо использовать уменьшенную активную ширину науглероженных зубьев, чтобы исключить разрушение зуба при изгибе, прежде чем начнется выкрашивание. Обобще­ ние результатов показано на рис. 137. Ряд исследователей ис­ пользовали при испытании контакт роликов, чтобы воспроизвес­ ти условия, ведущие к выкрашиванию зубьев. Этот метод был подвергнут критике из-за разницы условий испытания и рабочих условий, а Кноуатон и Шнейдер [550] нашли, что при роликовых испытаниях получается более высокая прочность, чем при дина­ мометрических натурных испытаниях зубчатых колес. Тем не менее, Гросс [551] утверждал, что результаты таких испытаний можно связать в относительном смысле с поведением больших зубчатых колес и некоторые его результаты на роликах диамет­ ром 38 мм, приведенные в табл. 69, могут быть использованы для получения сравнительных данных о сопротивлении выкраши­ ванию некоторых сталей, цветных металлов и неметаллических материалов.

Пружиньк В большинстве случаев на пружины действуют переменные напряжения и их необходимо рассчитывать на со­ противление усталости. В винтовых пружинах, нагруженных рас­ тяжением или сжатием, проволока нагружается кручением и,

264

Ряд исследователей проводили усталостные испытания вин­ товых пружин и каждый проектировал специальную усталостную машину, чтобы получить требуемые большие перемещения; неко­ торые результаты приведены в табл. 70. Руководство по проек­ тированию винтовых пружин сжатия для пульсирующих нагру­ зок дано в работе [557].

Заневоливание и обдувка дробью также могут быть исполь­ зованы для улучшения сопротивления усталости других типов пружин. Олмен [558] приводит пример увеличения предела уста­ лости при переменном нагружении торсионной пружины больше чем на 20% при начальной перегрузке, а дальнейшее улучшение было получено при обдувке дробью и последующей перегрузке. Рессоры часто имеют низкое сопротивление усталости, потому что они применяются с обезуглероженными поверхностями, а со­ прикосновение пластин может вызвать дополнительно коррозию трения. Балдвин [559] приводит предел усталости паровозной ли­ стовой стальной пружины с черной обезуглероженной поверхно­ стью, который составляет от 41 ± 13,3 до 41 ± 18 кГ/мм2.

Валы. Сопротивление усталости валов в большей степени зависит от уровня концентрации напряжения за счет изменения формы сечения (поперечные отверстия, галтели и т. д.). Большая часть разрушений, обычно происходит в месте изменения сече­ ния и значительное улучшение сопротивления усталости часто можно получить увеличением радиуса перехода. На рис. 138 показана зависимость между коэффициентом концентрации а, изменением диаметра вала и радиусом галтели. Кривые показы­ вают, что а в большей степени зависит от радиуса галтели, чем от изменения диаметра вала; даже для разницы между диамет­ рами только в 1 % степень концентрации может быть значитель­ ной, если радиусы галтели малы.

Влиянием абсолютных размеров нельзя пренебрегать даже при отсутствии концентрации напряжения. Обнаружено значи­ тельное понижение предела усталости для больших валов (см. табл. 28). Влияние размера на зависимость между Ко и а рас­ сматривается в гл. V. Некоторые экспериментальные результаты, приведенные Дори и Шмедлеем [288], показали влияние размера галтели на предел усталости при кручении больших валов (рис. 139). Валы ковались из среднеуглеродистой стали с прочно­ стью на растяжение 44—53 кГ/мм2. Эти испытания проводились, чтобы получить данные для расчета больших коленчатых валов морских дизелей.

Для некоторых конструкций нет возможности выполнить гал­ тель соответствующего радиуса, и в этих случаях можно достичь некоторого уменьшения концентрации напряжения, используя сопряжение по двум радиусам или другому плавному очертанию.

Правка валов может понизить предел усталости из-за наве­ дения неблагоприятных остаточных напряжений и поэтому за

266

269