Введение к работе
Актуальность темы. С каждым годом возрастают требования к надёжности деталей, узлов машин и механизмов, применяемых в промышленности, сельском хозяйстве и других отраслях народного хозяйства страны. Это определяет повышенные требования к подбору конструкционных сталей и выбору технологий их обработки, обеспечивающих реализацию резервов прочности, в том числе усталостной прочности.
Большое число деталей машин и элементов конструкций работает в режиме повторно-силового нагружения и подвержены усталостному разрушению. Усталостное повреждение, являясь локальным, не сопровождается какими-либо видимыми эффектами и разрушение детали кажется внезапным, поэтому особенно опасным и могущим привести к катастрофическим последствиям. Повышение усталостной прочности сталей является весьма важной и актуальной задачей, тем более, что усталость металла является одной из главных причин, наряду с изнашиванием, вызывающих отказы машин в сельском хозяйстве, на транспорте и других отраслях.
Изучение усталостных явлений в металлах требует длительных и дорогостоящих экспериментов, так как традиционные методы определения предела усталости металла требуют испытания до разрушения большого числа однотипных специальных образцов, дорогого и сложного оборудования.
В последние годы разработан и успешно опробован неразрушающий метод измерения предела усталости ферромагнитных материалов, основанный на регистрации изменения магнитных свойств поверхностных слоев металла при знакопеременной нагрузке. Использование этого метода позволяет многократно ускорить испытания на усталость и, самое главное, позволяет исследовать влияние различных методов упрочняющей обработки на одних и тех же образцах и, таким образом, получать с большой степенью достоверности сведения о влиянии такой обработки на усталостные характеристики металла.
Химико-термическая обработка является эффективным методом повышения усталостной прочности стали, так как воздействует на поверхностные слои металла, в которых как раз концентрируются максимальные напряжения от внешних нагрузок и возникают различного рода дефекты на разных масштабных уровнях.
Одним из современных прогрессивных методов химико-термической обработки сталей является нитроцементация, т. е. одновременное насыщение поверхности металла азотом и углеродом. Нитроцементация значительно повышает твёрдость, износостойкость и другие свойства стали, однако усталостные характеристики нитроцементованных слоев изучены недостаточно. Нет ясности о взаимосвязи степени насыщения стали диффундирующими элементами с параметрами усталости нитроцементованного слоя, не ясна роль структуры нитроцементованного слоя в определении этих параметров.
Выяснение этих и некоторых других вопросов, связанных с усталостью
нитроцементованных сталей, является весьма актуальной задачей, решение которой
связано с оптимизацией технологических процессов нитроцементации конкретных
деталей с учетом характеристик циклической прочности и трещиностоикости, что в
конечном итоге позволит повысить надёжность "р-тт?" п нптг" і
РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА '
СЛетербург
OS юоуит;
Цель и задачи исследования. Повышение усталостных свойств хромистых сталей путём насыщения поверхностных слоев азотом и углеродом, научное обоснование и разработка технологии нитроцементации для повышения долговечности и надёжности деталей.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: на основании систематизирования и обобщения литературных данных и собственных исследований выбрать методы и средства для изучения усталостных характеристик поверхностных слоев металла;
исследовать особенности структурообразования в поверхностных слоях среднеуглеродистых сталей с различным содержанием хрома при обработке в азотисто-углеродном пастообразном карбюризаторе;
исследовать влияние режимов нитроцементации и сопутствующей термообработки хромистых сталей на характеристики усталости и трещиностойко-сти поверхностных слоев;
изучить влияние структуры, состава и механических свойств нитроцементо-ванных слоев на их усталостные характеристики и сформулировать требования, предъявляемые к хромистым сталям для получения максимальной усталостной прочности;
разработать технологию упрочнения нитроцементацией детали, работающей при больших знакопеременных нагрузках (коленчатого вала) и наметить пути дальнейшего развития методов поверхностного упрочнения деталей машин для повышения их усталостной прочности и надёжности эксплуатации. Методы исследований.. Для определения усталостных характеристик сталей были использованы неразрушающий метод с применением установки оригинальной конструкции и стандартный метод Л окати (машина УКИ - 6000). Исследование физико-механических свойств сталей до и после нитроцементации производилось с использованием металлографического (МИМ-8), дюраметрического (ИТ-7-Р «Викксрс», ПМТ-5) и рентгеноструктурного (ДРОН - 3) анализов. Содержание азота и углерода в нитроцементованных слоях определяли на атомио-эмиссионном спектрометре SA -2000 (Surface Anallyzer) фирмы LECO, дислокационную структуру исследовали методом внутреннего трения с использованием обратного крутильного маятника с автоматической регистрацией числа колебаний и прецизионной регулировкой температуры. Статистическая обработка и анализ результатов экспериментальных исследований производилась с использованием
пвэм.
Научные положения, выносимые на защиту
- результаты исследований влияния нитроцементации в пастообразном азоти
сто-углеродном карбюризаторе хромистых сталей ЗОХ и 30X13 на усталостные
свойства неразрушающим методом;
- зависимости усталостных характеристик хромистых нитроцементованных
сталей от распределения азота и углерода, структуры диффузионных слоев и серд
цевины.
Научная новизна.:
- на основе комплексного изучения процесса насыщения craieft с различным
содержанием хрома (от_1% до 13%, вес) в пастообразной азотисто-углеродистой
среде в зависимости режимов обработки показана возможность получения твёрдых карбонитридных покрытий, как при азотировании, и глубинных диффузионных слоев, как при цементации.
впервые доказана возможность определения усталостных свойств сталей на одном и том же образце до и после обработки неразрушающим экспресс-методом, что значительно повышает достоверность измерений и сокращает длительность испытаний.
экспериментально установлена взаимосвязь между распределением азота и углерода в нитроцементованном слое, структурой и усталостными свойствами хромистых сталей.
показана возможность оптимизации в соответствии с условиями службы механических свойств хромистых сталей с учётом показателей усталости путём выбора режимов обработки.
показана отрицательная роль хрупкой карбонитридной зоны на поверхности нитроцементованных слоев хромистых сталей, способствующая лёгкому образованию трещин при циклическом нагружении и снижающая усталостные свойства.
показано, что высокий предел усталости нитроцементованных сталей обуславливается напряжениями сжатия первого и второго рода, а также закреплением дислокаций межзёренными границами и атомами примесей, имеющих место в нитроцементованных слоях хромистых сталей.
Практическая значимость. Для стали ЗОХ, широко применяемой в машиностроении, для повышения усталостной долговечности и износостойкости при низкотемпературной нитроцементации (650С в течении 3-х часов) предел усталости повысился на 55% и составил 460 МПа (против 295 МПа в исходном состоянии). При этом долговечность при am = 500 МПа на порядок выше, чем для образцов до обработки, а показатели трещиностойкости выше на 7%.
Для стали 30X13 при высокотемпературной цементации (900С) с последующей закалкой в масле (при 880С) без отпуска было получено увеличение предела усталости на 10% и показателей трещиностойкости на 15%.
Результаты исследований внедрены на ОАО «Лгромаш», г. Курск и получен положительный эффект.
Достоверность результатов. Достоверность результатов исследований, основных положений и выводов диссертации определяется корректностью постановки задачи, обоснованностью использования теоретической зависимости и комплексными взаимодополняющими современными методами исследований. Достоверность результатов работы подтверждается также согласованностью с результатами других исследователей, работающих в данной области, и проверкой разработанного способа усталостной прочности хромистых сталей в производственных условиях.
Личный вклад автора:
- установлено, что в зависимости от режимов обработки хромистых сталей с
различным содержанием хрома (от 1% до 13%, вес) в пастообразной азотисто-
углеродистой среде, возможно получить либо твёрдые карбонитридные покрытия,
как при азотировании, либо глубинные диффузионные слои, как при цементации;
- установлена взаимосвязь между распределением азота и углерода в
нитроцементованном слое, структурой и характеристиками усталости хромистых
сталей;
на основе экспериментальных исследований показана возможность оптимизации механических свойств хромистых сталей с учётом показателей усталости путём выбора режимов обработки;
показана отрицательная роль хрупкой карбонитридной зоны на поверхности нитроцементованных слоев хромистых сталей, снижающей усталостные свойства и инициирующей образование усталостной трещины.
Апробация работы. Положения работы докладывались на научных конференциях в государственном университете нефти и газа им. И.М. Губкина (г. Москва, 2001 г.), Курском государственном техническом университете (2002,2003гг), Курской государственной сельскохозяйственной академии им. И.И. Иванова (2002-2004гг).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ. Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, библиографического списка и приложения. Общий объём 126 страниц, в том числе 12 страниц приложения. В состав диссертации включены 12 таблиц, 32 иллюстрации, библиографический список, включающий 128 наименований, в том числе 16 на иностранных языках.
