Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Влияние состояния поверхностного слоя на механи ческие свойства металлов и сплавов II
1.1. Особенности влияния поверхности на процесс
пластической деформации II
1.1.1. Исследования зарождения и движения дислокаций в поверхностном слое металла. 12
1.1.2. Особенности поведения поверхностного слоя металла при деформировании 15
1.2. Роль поверхностного слоя в усталостном разрушении металлов и сплавов 17
1.2.1. Изменение дислокационной структуры поверхностных и внутренних слоев материала при циклическом нагружении 20
1.2.2. Механизмы зарождения усталостных трещин 24
1.2.3. Распространение усталостных трещин. 25
1.3. Влияние упрочняющих обработок на усталостную прочность металлов и сплавов 27
1.3.1. Поверхностное пластическое деформирование и сопротивление усталостному разрушению 28
1.3.2. Влияние закалки токами высокой частоты на сопротивление циклическому разрушению 31
1.3.3. Влияние электромеханической обработки на процессы усталостного разрушения 33
1.3.4. Применение лазерной обработки для повы шения усталостной прочности металличес ких материалов 36
Выводы по главе I 41
Глава 2. Разработка методик и средств проведения исследований -43
2.1. Машина для испытаний на усталость при растяже нии-сжатии 43
2.2. Установка для закаливания ступенчатых деталей токами высокой частоты 47
2.3. Установка для электромеханической обработки образцов 50
2.4. Методика определения микротвердости 55
2.4.1. Прибор для измерения микротвердости акустическим методом 57
2.5. Индуктивный метод определения локальных напряжений и пластических деформаций 62
2.6. Устройство для контактного тампонного электрополирования и электротравления 67
2.7. Методика изготовления фольг и микрошлифов. 72
2.7.1. Метод и устройство для изготовления
фольг и микрошлифов 73
2.7.2. Методика и установка для изготовления фольг методом проточного электролита. 80
Выводы по главе 2 84
Глава 3. Упрочняющих обработок на повышение долговечности деталей 86
3.1. Повышение циклической прочности углеродистых сталей упрочняющими обработками 86
3.2. Особенности строения изломов усталостного разрушения стальных образцов с упрочненной поверхностью 96
3.3. Электронномикроскопическое исследование изломов усталостных образцов с упрочненной поверхностью 105
3.4. Влияние технологии поверхностного упрочнения и эксплуатационных особенностей на долговечность рифленных валов 108
3.4.1. Особенности проведения испытаний рифленных валов ткацких станков ИЗ
3.4.2. Влияние глубины наклепа и упрочнения зон концентраторов напряжений на циклическую прочность 116
3.4.3. Влияние закалки токами высокой частоты на усталостную прочность стали 45 . 123
3.4.4. Результаты стендовых испытаний рифленных валов 130
3.4.5. Упрочнение рифленных валов лазерной обработкой 131
Выводы по главе 3 133
Глава 4. Торможение развития трещин применением упрочняющих обработок 136
4.1. Исследование влияния лазерного излучения на со стояние поверхностного слоя и развитие усталост ных трещин 137
4.1.1. Методика проведения испытаний 138
4.1.2. Изменение микротвердости и остаточных напряжений после лазерного облучения 144
4.1.3. Влияние лазерного упрочнения поверхности на развитие усталостных трещин 149
4.2. Исследование влияния электромеханического упрочнения поверхности на развитие трещин усталости 162
4.3. Влияние поверхностного пластического деформирования на распространение усталостных трещин 167
4.4. Влияние режимов лазерного упрочнения на развитие трещин усталости 173
Выводы по главе 4 176
Заключение 177
Литература
- Особенности поведения поверхностного слоя металла при деформировании
- Установка для электромеханической обработки образцов
- Особенности строения изломов усталостного разрушения стальных образцов с упрочненной поверхностью
- Изменение микротвердости и остаточных напряжений после лазерного облучения
Введение к работе
Актуальность темы. Стремительное развитие науки и техники неразрывно связано с неуклонным повышением требований к надежности машин и материалов. В соответствии с решениями ХХУІ съезда КПСС и Государственным планом экономического и социального раз-.вития СССР на I981-1985 годы и на период до 1990 года предусмотрено дальнейшее развитие таких важных отраслей народного хозяйства, как энергетическое, химическое, транспортное, сельскохозяйственное и др. машиностроение, а также ведущих отраслей новой техники. В качестве основных научно-технических задач при этом выдвинуты: создание новых машин и конструкций высоких рабочих параметров, снижение их материалоемкости и энергоемкости, повышение прочности, ресурса, живучести и долговечности, внедрение принципиально новых, высокоэффективных технологических прцессов и материалов.
Один из возможных путей решения этих задач является улучшение физико-химических и физико-механических свойств рабочей поверхности деталей, определяющий их надежность и долговечность и тем самым всей конструкции. Это позволит в ряде случаев заменить дорогостоящие материалы на более дешевые благодаря повышению долговечности за счет улучшения качества поверхности.
Известно, что при обычных условиях нагружения возникновение и развитие разрушенш определяется локальными свойствами материала и свойствами поверхностного слоя в областях с максимальной концентрацией напряжений. В связи с этим упрочнение поверхности в определенных условиях является одним.из рациональных способов повышения прочностных свойств металлов.
Среди новых технологических обработок особое место занимает электромеханическая и лазерная поверхностная обработка материалов. Большие скорости охлаждения при поверхностной лазерной обработке
представляют не только научный, но и большой практический интерес, так как открывают возможности получения непосредственно на поверхности массивных деталей из металлических сплавов новых комбинаций свойств.
Во многих случаях важно продлить срок работы (ресурс) конструкций, в которых уже протекает замедленное разрушение (развитие трещин). И в этом случае важно иметь способы торможения развития трещин. К таким способам могут быть отнесены те, которые позволяют изменять на пряжен но-деформированное состояние в вершине трещины за счет создания остаточных сжимающих напряжений вследствие местных температурных воздействий (электромеханическая, лазерная, плазменная и др. обработки).
Цель и задачи исследования. Целью данной работы является комплексное исследование влияния методов и режимов упрочняющей обработки на состояние поверхностного слоя и установление критериев, характеризующих циклическую прочность этих материалов после поверхностной обработки, а также разработка способов эффективного торможения развития разрушения (трещин), В соответствии с этим в диссертационной работе были поставлены и решены следующие основные задачи:
изучить влияние технологии электромеханической обработки и лазерного облучения поверхности на образование и торможение усталостных трещин;
разработать методы и средства исследования механических свойств и структуры локальных поверхностных зон, подвергнутых упрочняющей обработке;
исследовать закономерности образования и развития разрушения упрочненных образцов к деталей под действием циклических нагрузок;
разработать оптимальную технологию поверхностного упрочне-
ния образцов и деталей, в том числе на стадии развития трещин;
разработать метод оценки эффекта упрочнения за счет упрочняющей обработки;
результаты исследования внедрить в производство.
Методы исследований. Изучение влияния упрочняющих обработок на циклическую прочность, скорость распространения и эффективность торможения усталостных трещин проводили при заданных амплитудах напряжений. Лазерное упрочнение поверхности образцов и деталей осуществляли при непрерывной генерации лучей на установке ЛГН-702, электромеханическое упрочнение - на специально разработанном устройстве.
Фрактографические исследования изломов проводили на растровом электронном микроскопе Slereoscaa 54, исследования дислокационной структуры - на электронном микроскопе УЗМВ-ЮОК. Для изготовления фольг были разработаны метод и устройство для предварительного утонения фольг и устройство для изготовления фольг методом проточного электролита.
В работе применялись также известные классические методы исследований - металлографический и рентгеновский анализ, измерение твердости, испытания на растяжение и др.
Определение остаточных напряжений и пластических деформаций проводили индуктивным методом на сконструированной и изготовленной нами установке, а для измерения м икр твердости - разработан акустический метод и прибор на его основе.
Научная новизна. Основными результатами работы являются:
определена сравнительная эффективность упрочняющих обработок на зарождение, развитие и торможение трещин при циклическом нагружении;
разработаны методики и средства исследования механических свойств металлических материалов и их структуры в поверхностных
слоях, подвергнутых упрочняющей обработке;
получены экспериментальные данные по режимам и эффективности упрочнения ряда конструкционных материалов различными способами упрочнения;
проведено изучение структурных особенностей поверхности обработанных (упрочненных) образцов и деталей машин;
определены оптимальные режимы упрочнения деталей и торможения трещин, а также даны рекомендации по выбору типа упрочняющих обработок.
Практическая ценность. Разработанные оптимальные сочетания режимов и технологий упрочнения поверхности с применением традиционных и новых методов обработки позволяют существенно повысить сопротивление усталости образцов и деталей. Предложен метод оценки эффекта упрочнения после упрочняющих обработок. Разработаны схемы и технология упрочнения поверхности в зонах концентрации напряжений и показана их эффективность на стадии образования и развития трещин усталости. Предложенные рекомендации по упрочнению поверхности могут быть использованы для обработки широкого круга конструкционных деталей и тем самым повысить их надежность и долговечность.
Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены на Пензенском машиностроительном заводе. Упрочнение рифленных валов ткацких машин по разработанной технологии позволило повысить их долговечность и обеспечить безотказную работу ткацких станков в течение заданного времени за счет исключения преждевременной усталостной поломки рифленных валов. Изменение технологии изготовления рифленных валов обеспечило экономический эффект в размере 160 ты с. рублей.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на:
- ІУ Всесоюзном симпозиуме "Малоцикловая усталость - механи
ка разрушения, .живучесть и материалоемкость конструкций", г.Крас
нодар , 1983 г.;
- научно-технической конференции "Прогрессивные технологические методы механообработки, сборки и обеспечения качества цилиндрических деталей", г.Пенза, 1934 г.;
десятом научно-техническом совещании по тепловой микроскопии "Структура и прочность материалов в широком диапазоне температур", г.Новокузнецк, 1982 г.;
республиканских конференциях "Развитие технических наук
в республике и использование их результатов", г.Каунас, 1973,1975, 1976, 1977, 1978, 1979, 1981, 1962, 1983, 1984 гг.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 20 печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и приложения.
В первой главе приведен обзор отечественной и зарубежной литературы, посвященной поведению поверхностного слоя при деформировании. Рассмотрено влияние упрочнения на механические свойства металлических материалов.
Во второй главе приводится разработанные методики и средства проведения исследований. Они позволяют прведение комплексного изучения особенностей структурного изменения металлических материалов после упрочняющих обработок, отличающихся высокой неоднородностью в локальных объемах, затрудняющей однозначную интерпретацию экспериментальных данных.
В третьей главе приводится исследование влияния упрочняющих обработок на усталостную прочность образцов и деталей. Показано эффективность упрочняющих обработок, сочетающих поверхностный на-
клеп, закалку токами высокой частоты, отпуск, электромеханическую и лазерную обработку. Электронномикроскопическими и фрактографи-ческими исследованиями подтверждено образование особого структурного состояния в упрочненных зонах,приводящему к перераспределению действующих и остаточных напряжений и разработана оптимальная технология упрочнения конструкционных деталей.
В четвертой главе приведено исследование торможения развития трещин применением упрочняющих обработок. На основе сравнительных испытаний образцов с различными упрочняющими обработками в зонах развития трещин показано эффективность различных методов упрочнения. Показано, что основной, тормозящий развитие усталостных трещин, эффект обусловлен сжимающими напряжениями, а не структурными изменениями в зонах термомеханического воздействия. Наибольший эффект получен в том случае, когда трещина оказывается "зажатой" сжимающими напряжениями от зон термического воздействия.
В заключении приведены выводы по данной работе.
В приложении представлены акты об использовании результатов работы в промышленности.
На защиту выносится:
определение сравнительной эффективности упрочняющих об-ра-боток на зарождение, развитие и торможение трещин при циклическом нагружении;
методики и средства исследования механических свойств металлических материалов и их структуры в поверхностных слоях, подвергнутых упрочняющей обработке;
экспериментальные данные по режимам и эффективности упрочнения ряда конструкционных материалов различными способами упрочнения;
определение оптимальных режимов упрочнения деталей и торможения трещин, а также рекомендации по выбору типа упрочняющих обработок.
- її -
Особенности поведения поверхностного слоя металла при деформировании
Выяснение роли поверхностного слоя в общем процессе пластической деформации усуглубляется влиянием многочисленного ряда факторов, связанных с реальным состоянием поверхности и внешней среды, в которой протекает деформация. В работах [24,30J показано, что жидкие и газовые среды могут вызвать разнообразные эффекты, т.е. как упрочнять так и разупрочнять поверхность и оказывать существенное влияние на общий прцесс макроскопического течения. Однако все эти специфические эффекты максимально проявляются лишь при специальном создании тех или иных условий внешней среды.
В работе [4] определением остаточных напряжений рентгеновским методом показано, что текучесть на поверхности образца начинается раньше, чем во всем объеме.
В работах 31,32] исследованием дислокационной структуры в поперечном сечении образцов из монокристаллического 61 методом ямок травления было установлено, что в псевдоупругой области деформирования, до макроскопического предела текучести, микропластическая деформация материала в основном протекает именно в приповерхностном слое материала на глубине до 40-100 мкм, не затрагивая его внутренние объемные слои. Несколько позднее эти данные были подтверждены электронно-микроскопическими исследованиями [33
При многократной механико-термической обработке [34] в приповерхностном слое образуется "наносной" слой (содержащий большое число закрепленных дислокаций) глубиной 20-40 мкм. После снятия электрополированием этого слоя эффект упрочнения снимается почти на 50$. В работе [35j было показано, что зуб текучести чистых ГЦК - металлов, появляющийся в результате повторного деформирования, можно подавлять удалением достаточной толщины поверхностного слоя. Для объяснения наблюдаемых поверхностных эффектов предполагается [3] образование в поверхностной области слоя с повышенной плотностью дислокаций. Этот слой играет роль барьера, задерживая дислокации, генерированные в процессе деформации внутренними источниками.
Большинство экспериментальных данных подтверждает образование упрочненного приповерхностного слоя при деформировании. Он вызывает эффект Хаазена-Келли. Однако высказывается также мнение, что эффект Хаазена-Келли обусловливается образованием при дефор -мировании металлов более ослабленного приповерхностного слоя по сравнению с внутренними объемами материала [зб] .
Таким образом для образования барьерного приповерхностного слоя в настоящее время предложены различные механизмы. Тем не менее, проведенные к настоящему времени исследования все еще не дают достаточных и однозначных сведений о поведении поверхностного слоя при деформировании 30 J.
По модели, предложенной в работе [37J, физический предел текучести наблюдается в том случае, если металл или сплав обладает более прочным приповерхностным слоем порядка размера зерна. Создание такого упрочненного приповерхностного слоя у углеродистых сталей происходит за счет более раннего пластического течения приповерхностного слоя в псевдоупругой области деформирования.
Таким образом, из анализа литературных источников следует, что вопрос о поведении поверхностного слоя при деформировании металлов и сплавов изучен еще недостаточно, и в настоящее время нет единого мнения о поведении этого слоя. Отличительной чертой большинства экспериментальных и теоретических работ является связь начала процесса пластического течения с поверхностью и ее специфическим влиянием на общий процесс микропластической деформации. Влияние это сложное и многогранное и в настоящее время еще до конца не выяснено. Ясно однако, что на поверхности имеет место аномальное развитие деформационных процессов, которое может приводить при определенных условиях к нарушению сплошности материала на поверхности.
Установка для электромеханической обработки образцов
Вся конструкция верхнего и нижнего центров, прикрепленная к держателю 13, приваливается к двум стаканам 14, стаканы, а тем самым и вся конструкция, перемещается вдоль параллельных между собой направляющих колонн 15, прикрепленных к основанию. К верхней части колонн прикреплена стойка 16. На ней установлен двигатель постоянного тока 17, который через редуктор 18 передает крутящий момент винту 19. На винт навинчена гайка, жестко прикрепленная к держателю 13. Таким образом при вращении винта он поднимает держатель, а вместе с ним всю систему нижнего и верхнего центров, которая скользит по направляющим колоннам.
Предусмотрена работа установки в ручном и автоматическом режимах. Для управления процессом закаливания деталей переменного сечения разработано автоматическое устройство, которое, при перемене сечения вала, на определенную.величину меняет скорость его перемещения относительно индуктора. Устройство работает на германиевом фотодиоде. При отсутствии освещения он имеет небольшое внутреннее сопротивление и.не вырабатывает тока. Однако при попадании на него света, он начинает вырабатывать ток и,через , транзисторную схему приводит к срабатыванию электрореле. Последнее управляет скоростью вращения двигателя, осуществляющего перемещение закаливаемого вала относительно индуктора. После прохода всего вала через индуктор срабатывает конечный.выключатель и возвращает, вал на исходное положение. Таким образом закалка всего вала производится автоматически.
Установка для электромеханической . обработки образцов Электромеханический способ упрочнения основан на сочетании термического и силового воздействия на поверхностный слой обрабатываемой детали [8] . Как отмечено ранее, сущность этого способа заключается в том, что в процессе обработки детали через место контакта инструмента с изделием проходит ток большой силы и низкого напряжения, в месте контакта с большим переходным сопротивлением выступающие гребешки поверхности подвергаются сильному нагреву и под давлением инструмента деформируются и сглаживаются, а поверхностной слой металла упрочняется.
Чаще всего электромеханической обработке подвергаются детали, имеющие поверхность тел вращения. В этом случае они обрабатываются непосредственно на токарных станках. Для этих целей применяется мощный источник электроэнергии и специальная державка с пластинкой или роликом, через которую к детали подводится ток.
Для электромеханической обработки плоской рабочей части применяемых нами образцов (рис.4.1) была сконструирована, изготовлена и использована простая, компактная и надежная установка,принципиальная схема которой показана на рис.2.5, а общий вид на рис.
Установка работает следующим образом. Электродвигатель через редуктор 2 передает вращение винту 3, который перемещает плиту 4 параллельно направляющим. Скорость перемещения плиты. регулируется скоростью вращения двигателя в широких пределах. К плите жестко прикреплен динамометр 5 с индикатором б. К верхней части оправы индикатора прикреплен столик 7 из изоляционного материала. На столике крепится образец, 8. Державка 10 с роликом 9 может перемещаться в суппорте II в вертикальном направлении.Чтобы державка не повернулась вокруг своей оси, на ней сделан паз, в который входит шпонка, прикрепленная к суппорту. Суппорт при помощи рукоятки и винта 12 можно перемещать в направляющих перпендикулярно направлению движения плиты Ч, а тем самым, и образ При вращении винта 13 державка перемещается вниз и твердосплавный ролик 9 прижимается .к образцу 8, создавая определенное давление инструмента на образец при обработке. Силу прижима можно изменять от 0 до 200 кГ и контролировать при помощи индикатора
При электромеханическом упрочнении твердосплавный ролик является основным элементом обрабатывающего инструмента. Основные требования, предъявляемые к материалу ролика: электропроводность, высокая красностойкость, стойкость к процессу схватывания контактирующих поверхностей (материал детали - материал образца), стойкость к диффузии. По литературным данным [8,83-84] , этим требованиям в большей степени соответствуют титановолйфрамовые сплавы. Автором работы [П2] были проведены, эксперименты по определению стойкости различных твердых сплавов» Он обнаружил примерно одинаковые результаты как в отношении обрабатываемой поверхности, так и в отношении стойкости инструмента у твердых сплавов марок Т30К4 и TI5K6. В качестве материала ролика для электромеханического упрочнения нами выбран сплав TI5K6. При этом имелось в виду его широкое применение как в электромеханическом упрочнении, так вообще в машиностроительном производстве.
Державки обычно принудительно охлаждаются, так как во время работы они нагреваются и изменяется зазор вузле скользящей пары (в подшипниках скольжения ролика). В нашем случае установка работает кратковременно, и державка, не успевает заметно нагреться, поэтому охлаждение не требуется.
Особенности строения изломов усталостного разрушения стальных образцов с упрочненной поверхностью
Блеск поверхностей излома в зоне усталостного распространения трещины является более выраженным при амплитудах напряжения близких к пределу усталости, и тем сильнее, чем большее число циклов до разрушения. Поэтому по характеру зоны усталостного распространения трещины (ее величине, блеску, рельефности и т.д.) можно судить лишь о длительности воздействия циклических нагрузок и их величине. Малые амплитуды нагружения и соответственно большие числа циклов до разрушения обуславливают на изломе наличие сравнительно большой, гладкой блестящей зоны. Увеличение амплитуды напряжения приводит к уменьшению величины блестящей зоны и увеличению рельефности. Усталостное разрушение образцов с упрочненной поверхностью серий 2,4 - 6,8,10 в низкоамплитудной области напряжений, судя по характеру излома, инициируется во внутренних слоях материала на границе раздела упрочненного слоя с основным металлом (рис.3.5). В образцах этих серий зона непосредственного усталостного распространения трещины представляет из себя блестящее пятно в форме эллипса. Усталостное разрушение такого типа наблюдается в упрочненных и высокопрочных материалах, а эллипсообразная область усталостного распространения трещины носит название "рыбий глаз" [I54J . Площадь зоны "рыбьего глаза" уменьшается с увеличением напряжений и при некоторой амплитуде напряжения vn , зарождение усталостной трещины с поверхности образца становится энергетически более выгодным. Исследования показали, что для серии 8 смена механизма зарождения трещины (от поверхностного к подповерхностному) происходит при напряжении им = 670 700 МПа, а для серии 10 этот переход происходит при напряжениях 6м = 650 680 МПа.
Напряжение Ьп , соответствующее смене механизма зарождения трещины от подповерхностного к поверхностному, является критическим параметрм и определяет способность упрочненного материала сопротивляться зарождению поверхностной усталостной трещины. Более высокое значение этого напряжения на образцах серии 8 по сравнению с образцами серии 10 указывает на несколько большую способность образцов серии 8 сопротивляться поверхностному зарождению усталостных трещин.
Анализ изломов образцов, усталостное разрушение которых начиналось под упрочненным слоем, позволил выявить некоторые общие закономерности фрактографии.
При амплитудах напряжения, близких к пределу усталости, на образцах всех серий наблюдается максимальная для данной серии площадь зоны усталостного распространения трещины - зоны "рыбьего глаза". Окончательный долом образцов при этих напряжениях носит хрупкий характер, расположен в противоположной от зоны "рыбьего глаза" части излома и занимает значительную площадь в неупрочнен-ной сердцевине образца. На рис,3.6 представлены образцы, соответствующие пределам усталости образцов серий 8 и 9.
Долом образца серии 6, испытанного при напряжении 680 МПа имеет хрупкий характер и граничит с зоной "рыбьего глаза". Долом образца серии 8 также хрупкий, но занимает 1/2 неупрочненного участка сердцевины образца.
Увеличение амплитуд напряжения приводит к уменьшению зоны окончательного долома. При этом вокруг участка хрупкого разрушения, который располагается в центральной части окончательного долома располагается кольцевая зона, имеющая вязкий характер (рис. 3,56). Дальнейшее повышение амплитуды напряжения вызывает уменьшение доли хрупкой составляющей в зоне окончательного долома. При амплитудах напряжения, близких к напряжению смены механизма зарождения усталостной трещины от подповерхностной к поверхностной, зона долома вязкая и представляет собой на изломе при визуальном рассмотрении овальней участок темного цвета (рис.3.5а). слоях, между зоной "рыбьего глаза" и зоной окончательного долома располагается зона ускоренного роста трещины, образованная за несколько циклов до окончательного долома. Ускоренное распространение усталостной трещины начинается сразу же после ее выхода на поверхность образца. С этого момента трещина растет как вглубь неупрочненной сердцевины образца, так и в поверхностных упрочненных слоях, как бы охватывая сердцевину образца. На противоположной от зоны "рыбьего глаза" стороне излома в упрочненной зоне на всех испытанных образцах имеется ступенька, посредством которой происходило объединение двух участков трещины, растущих вдоль окружности в обе стороны от зоны "рыбьего глаза" рис.3.5.
В высокоамплитудной области усталостное разрушение инициируется в поверхностных слоях упрочненных образцов. В этом случае в зависимости от амплитуды напряжения также обнаружены некоторые закономерности в фрактографии разрушения.
При увеличении амплитуды напряжений происходит увеличение числа поверхностных усталостных трещин и уменьшение их размера (рис.З.б). Если при амплитуде напряжения 6 = 680 МПа в образце серии 8 имеется примерно 30 поверхностных усталостных трещин, то при напряжении 720 МПа их число порядка 60, а при напряжении 800 МПа их больше 80. Объединяясь между собой, зародышевые усталостные трещины дают начало магистральной усталостной трещине. Скорость этой трещины, так же как и на образцах с "рыбьим глазом", на определенном этапе распространения увеличивается, трещина становится кольцевой, охватывая по окружности весь образец и затем происходит катастрофический долом.. Зона долома в образцах, испытанных в высокоамплитудной области всегда вязкая и несколько смещена в сторону, противоположную от наиболее густо расположенных на поверхности излома зародышевых усталостных трещин.
Изменение микротвердости и остаточных напряжений после лазерного облучения
Как следует из рисунка, при закалке цилиндрической части образцов предел усталости снижается на 2б#. Все образцы в этом случае разрушались по основанию галтели вследствие выхода на галтель неблагоприятных растягивающих остаточных напряжений. Закалка и цилиндрической части и галтели повышает предел усталости на Л% по сравнению с незакаленными образцами. Усталостное разрушение в этом случае проходило вне галтелей.
Эти результаты свидетельствуют также и о большой роли расположения закаленного ТВЧ слоя на предел усталости.
Это важное обстоятельство, поскольку при принятой технологии закалки рифленых валов токами высокой частоты закаленный слой прерывается на переходах тумб к опорным шейкам и хвостовику, а также в галтелях опорных шеек или на некотором расстоянии от них.
Было проведено исследование влияния технологии закалки ТВЧ на усталостную прочность стали 45. Испытания проводились на образцах, рабочая часть которых имитировала упорную шейку рифленного вала. Образцы закаляли по двум технологиям. Первая - заводская технология, когда закалка производится двумя проходами (рифленные тумбы калятся в одной установке, а упорные шейки и хвостовики - в другой). Одним проходом закаливали больший диаметр (имитирующий тумбу), а другим -меньший (имитирующий упорную шейку). По второй технологии образцы закаливали за один проход с использованием разработанной нами установки. При переходе шейки через индуктор, меняли скорость ее перемещения относительно индуктора, получая таким образом заданную глубину и расположение закаленного слоя. При этом закаленный слой обрывался на расстоянии I мм от галтели.
Усталостным испытаниям подвергались образцы четырех серий, обработка и пределы усталости которых приведены в таблице 3.4.
Кривые усталости исследованных образцов представлены на рис. 3.19. Номера кривых соответствуют сериям испытанных образцов (табл.3.4)« Кривая 5 соответствует усталости ступенчатого неу прочненного образца (кривая І рис.3.17).
Как видно из графиков (рис.3.19), закалка ТВЧ ступенчатых образцов по обеим технологиям приводит к снижению усталостной прочности. Закалка двумя проходами снижает предел усталости на 25 МПа, что составляет 23,8$ по сравнению с незакаленными образцами (кривые I и 5), Закалка одним проходом снижает предел усталости на 15 МПа, что составляет 14,3% (кривая 2).
Однако, если после закалки ТВЧ галтели обкатывались роликом, то предел выносливости резко возрастал. Предел выносливости закаленных ТВЧ двумя проходами и обкатанных роликом по галтелям образцов повышается на 30 МПа, что составляет повышение на 28,5$ по сравнению с неупрочненными образцами (кривые 3 и 5 рис. ЗЛУ). Закалка за один проход и обкатка по галтелям повышает усталость на 55 МПа, что составляет повышение на 52,4$ (кривая 4).
Различие в эффективности этих технологий вызвано тем, что при закалке двумя проходами происходит стыковка двух закаленных зон. На месте стыка появляются значительные остаточные растягивающие напряжения, которые снижают предел усталости [97]
Из этого следует, что закалку рифленных валов ТВЧ лучше проводить за один проход» Применение этой технологии закалки повышает усталостную прочность не обкат энных по галтелям образцов на 10 МПа по сравнению с образцами, закаленными по заводской технологии (кривые 2 и I), т.е. на 12,5% Если образцы после закалки ТВЧ обкатываются роликом по галтелям, то применение закалки за один проход увеличивает усталостную прочность на 25 МПа по сравнению с образцами закаленными по заводской технологии (за два прохода), т.е. на 18,5$ (кривые 3 и k рис.3.19). Представляет интерес также определение влияния обкатки роликами незакаленного участка шейки и последующего отпуска на усталостные показатели. С этой целью было проведено испытание четырех серий образцов, рабочая часть которых имитировала упорную шейку рифленного вала. Технология поверхностного упрочнения и пределы усталости приведены на таблице 3.5.
Кривые усталости исследованных образцов представлены на рис.3.20, Номера усталостных кривых соответствуют сериям испытанных образцов (табл.3.5).
Как показали результаты испытаний, отпуск после закалки ТВЧ ступенчатых образцов дает положительный эффект. При закалке за два прохода усталостная прочность от 80 МПа (кривая I рис.3.19) повышается до 115 МПа (кривая I рис.3.20), т.е. на 35 МПа (на 43,8$), При закалке образцов за один проход усталостная прочность повышается от 90 МПа (кривая 2 рис.3.19) до 135 МПа (кривая 2 рис.3.20), т.е. на 45 МПа (на 50$).
