| Марка стали | Диаметр заготовки, мм | Твердость НВ (не менее) | Механические характеристики, МПа | Коэффи- циент | |||||
| σв | σт | τт | σ-1 | τ-1 | ψτ | ψσ | |||
| Ст5 | Любой | 0,06 | |||||||
| ≤ 120 | 0,09 | 0,1 | |||||||
| ≤ 80 | 0,10 | 0,1 | |||||||
| 40Х | ≤ 200 | 0,09 | 0,15 | ||||||
| ≤ 120 | 0,10 | 0,15 | |||||||
| 40ХН | ≤ 200 | 0,10 | 0,15 | ||||||
| 20Х | ≤ 120 | 0,07 | 0,15 | ||||||
| I2XH3A | ≤ 120 | 0,10 | 0,15 | ||||||
| 18ХГТ | ≤ 60 | 0,12 | 0,15 |
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.