Механические характеристики сталей

Зарождение усталостных трещин, приводящих к разрушению, начинается, как правило, с поверхности. На поверхности происходит изнашивание.

Поэтому на практике с целью повышения сопротив­ления усталости широко применяют специальные способы обработки поверхности - поверхностные упрочнения. Поверхностные упрочнения более эффективны, чем объемные, которые часто сопровождаются понижением ударной вязкости и повышением чувстви­тельности к концентрации напряжений. Например, поверхностные упрочнения цементацией и закалкой повышают, по сравнению с объемной закалкой до той же твердости, сопротивление усталости на 30...40 % и более.

Повышение предела выносливости и износостой­кости детали вследствие поверхностного упрочнения обусловлено, во-первых, повышением механических свойств металла упрочненного поверхностного слоя и, во-вторых, созданием в нем остаточных сжимающих напряжений. Результирующие напряжения оказывают­ся при этом меньше опасных растягивающих, возникающих от внешней нагрузки, на величину остаточных сжимающих напряжений.

Применяют следующие методы поверхностного упрочнения:

- механические (обкатка роликами, обдувка дробью и др.);

- термические (закалка с нагревом токами высокой частоты);

- химико-термические (цементация, нитроцементация, цианирование, азотирование);

- комбинированные (цементация и нитроцементация с последующей обдувкой дробью, азотирова­ние и обкатка роликами).

Особенно эффективны эти методы для деталей с резкой концентрацией напряжений и для деталей, работающих в условиях коррозии или фреттинг-коррозии.

Механические методы поверхностного упрочнения применимы для большинства металлических материа­лов. Их характеризует малая трудоемкость, возмож­ность обработки в механическом цеху, отсутствие окалины.

Упрочнение поверхностным пластическим дефор­мированием по сравнению стечением, шлифованием, полированием позволяет:

- сохранить целостность волокон и образовать мелкозернистую структуру в поверхностном слое;

-обеспечить минимальные параметры шероховатос­ти поверхности (Ra = 0,1...0,05 мкм и менее), сохраняя ее первоначальную форму.

Обкатка роликами тел вращения может быть выполнена на токарных станках с простейшими приспособлениями. Она предусмотрена стандартами как обязательная для осей и валов машин железнодорожно­го транспорта, применяется практически для всех гребных валов, эффективна для валов самых больших диаметров.

Достигаемое повышение сопротивления усталости валов: на гладких участках – 20...40 %; при особо резкой концентрации напряжений – в 2...3 раза. Обкатка вагонных и локомотивных осей позволяет повысить их предел выносливости в подступичной части и шейках в 2...2,2 раза.

Дробеструйный наклеп, осуществляемый потоком дроби на дробеметных машинах роторного или пневма­тического типа, позволяет упрочнять детали сложных форм любой твердости без опасности продавливания ранее упрочненного поверхностного слоя. В связи с необходимостью специального оборудования имеет основное применение в массовом и серийном производ­ствах.

Применяют также и другие механические методы поверхностного пластического упрочнения: чеканкой, ротационно-ударное шариками, гидродробеструйное, ультразвуковое через сферический инструмент или шарик и др.

Комбинированные методы наиболее эффективны при наличии остаточных растягивающих напряжений в поверхностном слое, снижающих предел выносливости и появившихся в результате неправильной технологии выполнения предыдущей термической, химико-терми­ческой или механической обработок. Остаточные растягивающие напряжения возникают, например, при обрыве поверхностного закаленного слоя в зоне концентрации напряжений, обезуглероживании повер­хности при химико-термической обработке, наличии в слое остаточного аустенита, а также при наличии шлифовочных прижогов.

Дробеструйная обработка, проведенная, например, после цементации, увеличивает остаточные сжимающие напряжения в поверхностном слое до значительных величин (800...1000 МПа) [5]. Глубина залегания и величина остаточных сжимающих напряжений зависят от режимов как химико-термической обработки, так и обдувки дробью (материала и размера дроби, скорости полета дробинок, длительности наклепа, расхода дроби).

Для коленчатых валов тепловозных дизелей, подвер­женных действию значительных переменных напряже­ний и изнашиванию, применяют комбинированное упрочнение: азотирование и обкатку роликами. Азоти­рование повышает износостойкость до пяти раз, а прочность - на 25-30 %. Общее повышение прочности после азотирования и обкатки роликами - в два раза.