книги / Циклическая прочность металлов

прочности металлов при температурах стадии I и при температу­ рах стадий II и III, причем во всех случаях с повышением эксплуатационной температуры циклическая прочность весьма интенсивно падает как в образцах гладких, так и в образцах надрезанных. Важно отметить еще, что стабилизация металла весьма заметно снижает пределы ограниченной усталости гладких образцов при высоких температурах (600—800°) сравнительно с образцами только закаленными без стабилизации; у надрезанных же образцов это снижение проявляется менее заметно.

Большое влияние на циклическую прочность изделий из жаро­ стойких сталей и сплавов имеет их пластическая обработка, со­ стоящая из наклепа в соединении с рациональной термической обработкой. Показательными в этом направлении являются ис­ следования [99] над жаростойкими сталями ЭИ257 и ЭИ69, хи­ мический состав которых приведен был в табл. 64. Наклеп при комнатной (20°) и высокой (600°) температурах создавался стати­ ческим растяжением, которому подвергались заготовки; растяже­ ние их при температуре 600° производилось в муфельной электро­ печи.

Из обработанных таким способом заготовок затем изготовлялись образцы для изучения циклической прочности; база испытаний была принята в 100 •10е циклов. Предел усталости определялся при температуре 600°. Результаты этого исследования приведены в табл. 67.

Данные табл. 67 показывают, что общий наклеп (термическая обработка) может повысить и снизить циклическую прочность жаростойких металлов; повышение наблюдается у относительно структурно устойчивых металлов, снижение наблюдается в неко­ торых случаях у неустойчивых металлов. Это обстоятельство необходимо учитывать при оценке влияния общего наклепа на циклическую прочность жаростойких сплавов.

Заслуживает внимания влияние и поверхностного наклепа на циклическую прочность жаростойких металлов и сплавов (в об­ разцах). Такое исследование [3] приводилось на стали ЭИ434, из которой были изготовлены гладкие образцы и надрезанные.

Поверхностный	наклеп	создавался обкатыванием роликами
после закалки	образцов	при температуре 1220°; обкатанные об­

разцы подвергались стабилизации при температуре 700° в тече­ ние 24 час. Предел ограниченной усталости определялся при тем­ пературе 650° на базе 100 10е циклов. Результаты этого иссле­ дования приведены в табл. 68.

В результате обкатывания предел усталости при температуре 650°, и у гладких образцов, и у надрезанных, повысился на 16— 24%. Такое повышение циклической прочности изделий из жаро­ стойких сталей в результате обкатывания и стабилизации объяс­

няется	тем,	что под их	поверхностью	образуется (слой	металла
с большей		статической	прочностью,	обусловленной	значи­
тельной	однородностью		по величине	и более равномерным

Влияние термической и общей пластической обработки на предел усталости жаростойких сталей

Предел усталости о _ j для образцов из сталей

Характер термической

ЭИ257

ЭИ69

Гладких

Надрезанных

Гладких

Надрезанных

и пластической

обработки образцов

в

в

в

в

в %

в %

кг 1 мм2

к г/мм2

В %

к г/мм2

В %

к г/мм2

Закалка (без

накле­

25,5

100

18,5

100

36,5

100

18,5

100

па)

Закалка,

наклеп

30,5

120

19,0

100

5%

при

темпера­

туре

20°,

старение

при

температуре

600°

в

течение

170 час.

Закалка,

наклеп

30,5*

84

21,5

116

5%

при

темпера­

туре

600°,

старе­

ние

при

темпера­

туре

600°

в тече­

ние 170 час.

Закалка,

наклеп

29,0

114

22,5*

120

30,0

82

25,0

135

13%

при

темпера­

туре

20°, старение

при

температуре

600°,

в

течение

120 час.

Закалка,

наклеп

30,5*

120

26,5*

143

29,0

80

21,5

116

13% при

темпера­

туре

600°,

старе­

ние

при

темпера­

туре

600°

в тече­

ние 120 час.

•

Действительный предел усталости при N = оо, остальные величины — преде-

лы ограниченной усталости.

1

распределением вторичных карбидов по зернам твердого рас­

твора.

В заключение отметим еще одну особенность работы жаростой­ ких сталей и сплавов при высоких температурах стадий II и III в воздушных средах, имеющих повышенное содержание азота. Анализ микроструктуры таких образцов после усталостного раз­ рушения иногда обнаруживает вблизи их поверхности свет-

Влияние поверхностного наклепа и термообработки на циклическую прочность образцов из жаростойкой стали ЭИ434

					Предел ограниченной усталости
				Гладких образцов			Надрезанных (резцом)
Режим термообработки								образцов
образцов				неупроч-	упрочненных		неупроч-	упрочненных
				ненных			ненных
				в кг/мм2	в кг/мм2	в %	в к г /мм2	в к г /мм2	в %
Закалка	при темпе­			31,0	38,4	124	21,5	25,6	119
ратуре	1220° .		.
Закалка	при темпе­
ратуре	1220°,		от­
пуск при		темпера­
туре 700°		в течение
24 час.,	затем		при
температуре 800° в				29,0	33,6	116	21,0	24,4	116
течение	10 час.

лую, не травящуюся зону, которая является, по-видимому, азоти­ рованным слоем и возникает вследствие поглощения атмосферного азота в тех случаях, когда его в окружающей воздушной среде достаточно много. Такое непредвиденное насыщение изделия азотом при высоких эксплуатационных температурах вызывает упрочнение металла вследствие появления в нем внутренних сжи­ мающих напряжений и в то же время разупрочнение его из-за повышенной склонности азотированного слоя к образованию тре­ щин в местах концентрации напряжений и по границам зерен. Последнее может значительно снизить циклическую прочность изделия, так как упрочнение в результате действия внутренних сжимающих напряжений может быть частично или даже полностью погашено действием температуры. Поэтому насыщение жаростой­ ких сталей и сплавов азотом в воздушной среде при цикличе­ ском загружении нужно считать процессом, уменьшающим их циклическую прочность.

ЦИКЛИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ ЧУГУНА

§ 31. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ

Чугуны представляют собой сложные сплавы, содержащие, кроме основных своих компонентов — железа и углерода, еще примеси кремния, марганца, фосфора, серы и пр. Углерод в чугунах может содержаться в виде механической примеси (свобод­ ного графита) и в виде химического соединения.

Серые вили литейные чугуны хорошо заполняют при отливке формы и хорошо поддаются обработке режущим инструментом. Белые или передельные чугуны мало пригодны для отливки и трудно обрабатываются режущим инструментом; они преиму­ щественно перерабатываются на сталь.

Ковкие чугуны обладают, но сравнению с серыми, большей пластичностью и вязкостью, а также высокой коррозийной стой­ костью; они широко применяются в сельскохозяйственном маши­ ностроении, автомобильной и тракторной промышленности, в ва­ гоностроении и пр., заменяя сталь, а иногда и цветные металлы и сплавы.

Имеются высокопрочные чугуны, обладающие весьма большой прочностью, которая достигается их модифицированием с полу­ чением в них глобулярного (сфероидального) графита вместо гра­ фита пластинчатого; особенно высокая прочность получается при модифицировании легированных чугунов, чаще с добавкой никеля в сочетании с молибденом или хромом. Высокопрочные чугуны применяются вместо стали для изготовления коленчатых валов, шестерен, муфт и пр., а также вместо ковкого чугуна для изго­ товления некоторых частей автомобилей, картеров, ступиц и пр., чем достигается значительная экономия в стоимости.

В табл. 69 приведены осредненные показатели статической прочности и пластичности литой стали и чугуна разных сортов.

Вопросы Циклической прочности чугунов исследованы недо­ статочно полно; особенно слабо было до последнего времени осве­ щено влияние на предел усталости чугунов механических и тер­ мических методов обработки их поверхности. И только в послед­ ние годы этому вопросу было уделено должное внимание, особенно В ЦНИИТМАШе [40]-[41].

Показатели статической прочности и пластичности литой стали и чугуна (разных марок)

		Предел прочности ов			Предел	Относи­	Твер­
			в кг 1мма
Сорт металла					текуче­	тельное	дость по
	при		при	при	сти О rj,	удлине­	Принелю
					в кг 1 мм2	ние	НВ
	растя­		сжатии	иэгибе		6 в %	в кг!мм2
	жении
Литая сталь	45-60		45-60	45—60	21-30	20—30	112—170
Серый чугун .	До 30		До 110	До 50	—	—	145—225
Ковкий чугун:		50	140	—	21—30	4	200
перлитный	*
ферритный .	»	40	130	—	18-28	До 15	149-165
Высокопрочный
чугун:	45-70		170—220	70-120	36—42		187-269
перлитный						» 6
ферритный	45-55		—	—	30—33	7—20	156-207

§ 32. СЕРЫЙ ЧУГУН

Изучением циклической прочности серого литейного чугуна впервые стал заниматься М. А. Воропаев в 1914 г. [14]. Era исследования показали, что величина предела усталости чу­ гуна всегда приблизительно вдвое меньше величины его предела прочности при растяжении; однако более поздние исследования этого не подтвердили и показали, что отношение между этими ве­ личинами различное для разных чугунов и снижается, как пра­ вило, с повышением прочности чугуна и с увеличением сечений отливок из него. После М. А. Воропаева долгое время изучению циклической прочности чугуна не уделялось должного внимания, и только в последнее десятилетие вопрос этот подвергся новому изучению в связи со все большим и большим применением чугуна

вмашиностроении и в инженерном строительстве. Исследования последних лет показали, что циклическая проч­

ность серых литейных чугунов вообще небольшая сравнительно со сталями и, что особенно интересно и практически важно, вся­ кого рода надрезы в таких чугунных изделиях не вызывают заметной концентрации напряжений и мало изменяют цикли­ ческую прочность их. Причина этого заключается в том, что чугун, как известно, вообще мало чувствителен к надрезам.

Из всех видов поверхностной обработки чугунных изделий только электрозакалка повышает несколько циклическую проч­ ность их; что же касается механических способов обработки поверхности (обкатывания роликами, обдувки дробью и т. п.), то они не только не увеличивают прочность, не создавая наклепа и остаточных напряжений, но даже во многих случаях уменьшают, очевидно, вследствие некоторого выкрашивания металла на по­ верхности и образования микротрещин на ней.

Результаты экспериментальных исследований, послужившие основанием для указанных положений, приведены в табл. 70.

Для этих исследований отлили цилиндрические болванки диаметром 35—40 мм, из которых были выточены с последующей шлифовкой нужные образцы диаметром 18 мм (в рабочей части). Поверхностная электрозакалка образцов была сделана на глу­ бину 1,5—2,5 мм. Последующая дробеструйная обработка была выполнена на дробемете в течение 3 мин. Обкатка выполнялась трехроликовой машиной в два прохода с давлением 80 кг.

Определение предела усталости во всех случаях выполнялось на консольных машинах, дающих изгиб образов при вращении.

Таб лица 7(У

Влияние поверхностной обработки на усталостную прочность чугуна

	о.-1	Дейстнитель-
Вид образцов и характер их обработки	в	ный коэффи­
		циент кон­
	кг 1мм% в %	центрации
		напряжений

Гладкие,	без поверхностной обработки		12,8	100	_
Гладкие,	с поверхностной электрозакалкой		14,8	115	—
Гладкие,	обкатанные роликами		10,5	82	—
Гладкие,	обработанные дробью	. . . .	10,8	84	—
Надрезанные*, без поверхностной обработки			12,2	95	1,05
Надрезанные, с поверхностной электрозакалкой			13,8	108	1,07

• Образцы палрезались до вакалки. Глубина надреаа 0»4 -мм», радиус заиругде-* ния на дне надреза 0.3 мм.

Из табл. 70 видно, что величина снижения предела усталости серого чугуна из-за надрезов не больше 5%. Другие исследования показывают, что понижающее влияние надрезов на циклическую прочность вообще не постоянно: оно возрастает, хотя и на немного, с увеличением поперечных сечений образцов. Чувстви­ тельность к надрезам несколько возрастает также и при повыше­ нии общей прочности чугуна и однородности его структуры.

Исследования циклической прочности чугунных образцов при кручении показывают, что величина предела усталости их в этом случае составляет 0,8—0,9 от величины предела усталости при из­ гибе; это подтверждает, что в процессе усталостного разрушения чугуна главное значение имеют нормальные напряжения; на это указывает также и спиралеобразный вид усталостных изло­ мов при кручении.

Как известно, сопротивление чугуна и статическому, и цикли­

ческому разрушению в	области сжатия значительно выше, чем
в области растяжепия;	наблюдается обычно, что предел уста­

лости его при пульсирующих циклах сжатия в 5— 6 раз выше, чем при пульсирующих растягивающих циклах.

Для иллюстрации этого положения, а также для иллюстрации того влияния (в большинстве отрицательного), которое оказывает общая термическая обработка на предел усталости обычных машиностроительных чугунов (марки МК) и высококачественных (марки ЕК), в табл. 71 приведены данные о величине предела усталости из практики некоторых зарубежных исследований [12].

	Таблица 71
Зависимость предела усталости чугуна	от вида циклической деформации
и от термической	обработки

	п
	о
	ЕГ
	00
	а
Вид циклической	а
	о
деформации	о
	а
	<U
	§ 5
	Н -5
	и

			сг_1 в кг/лш2
Чугун МК (обычный маши­				Чугун ЕК (высококаче­
	ностроительный)					ственный)
ns	Обработанные при			Безобра­	ботки	Обработанные при
По	температуре в °С					температуре в °С
а
® я
а х	500	650	850			500	650	850
« о

Симметричный
циклический из­	20	10,0	8,1	7,7	7,3	15,6	14,7	12,1	12,3
гиб ...................
Пульсирующий	_	12,1	12,3	10,8	12,3	20,2	20,3	18,0	15,6
изгиб . . .
Пульсирующее	30	52,6	49,1	38,0	42,2	73,6	73,6	55,0	54,6
сжатие . .
Пульсирующее	20	8,5	7,5	7,3	6,8	13,7	13,8	10,3	11,4
растяжение . .
Двойной цикли­		13,9	13,9	11,0	11,2	20,0	20,0	14,9	15,4
ческий срез	—

§ 33. В Ы С О К О П Р О Ч Н Ы Е Ч У Г У Н Ы

Из высокопрочных чугунов практический интерес представляет чугун с шаровидным графитом. Этот новый машиностроительный материал отличается высокой прочностью в сочетании с повы­ шенными значениями пластичности и ударной вязкости. Вслед­ ствие этого из него изготовляют в настоящее время не только вто­ ростепенные, но и ответственные элементы машин, работающие в условиях высокого циклического нагружения.

Вопросы циклической прочности чугуна с шаровидным графи­ том были исследованы более или мепее подробно только в послед­ нее десятилетие. Основные исследования были проведень1 на чугуне с шаровидным графитом марки СПЧП-45, микроструКТура которого состоит из сфероидального графита и металлической основы в виде перлита, свободного феррита и небольшого коли­ чества фосфидной эвтектики [41].

Образцы для этих исследований были взяты 'tpex Диаметров: 20, 12 и 6 мм (в рабочей части их).

Одна партия образцов только шлифовалась после токарной обточки и являлась контрольной; вторая партия подвергалась поверхностной закалке токами высокой частоты на глубину около 2 мм; третья партия подвергалась поверхностному упрочнению обкатыванием роликами с глубиной наклепа около 0,7 мм. Чет­ вертая партия подвергалась поверхностной дробеструйной обра­ ботке с глубиной наклепа 0,3—0,4 мм. На одной партии образцов были сделаны круговые надрезы глубиной 0,4 мм; на образцах, закаленных токами высокой частоты, надрезы дела-• лись до их закалки; на образцах, обкатанных роликами, надрезы делались после обкатки. Определение предела усталости образцов всех партий производилось на симметричный изгиб при вращении. Результаты этих исследований сведены в табл. 72.

Таблица 72

Влияние поверхностной обработки на предел усталости сверхпрочного

________________ _______________ чугуна СПЧП-45___________________________

<*-1

	Вид и диаметр образцов				Характер поверхностной обработки	в	В %
						кг/мм2
					Шлифование	19.5	100
	Гладкие, диаметром			20 мм	Электрозакалка	23.5	120
					Обкатывание роликами	23,2	119
					Дробеструйная обработка	22,7	116
	Гладкие,	диаметром		12 мм	Шлифование .	19.7	100
					Электрозакалка . .	27.7	140
					Обкатывание роликами	24.7	126
	1 Гладкие,	диаметром		6 мм	Шлифование	15,7	—
	Надрезанные,		диаметром		Шлифование	17,2	100
					Электрозакалка	34,5	200
	12 мм
					Обкатывание роликами	32,0	185
	Анализируя		по	табл. *72 результаты исследований цикличе­

ской прочности образцов из сверхпрочного чугуна (с шаровидным графитом), а также результаты других аналогичных исследова­ ний [8], [12], [75], приходим к таким выводам о циклической прочности изделий из этого чугуна:

1) размерный фактор здесь оказывает влияние; это влияние более заметно в образцах с поверхностным термическим или механическим упрочнением;

2) поверхностная закалка токами высокой частоты повышает циклическую прочность, особенно значительно в надрезанных об­ разцах;

Фиг. 120. Графики зави­ симости предела уста­ лости разных чугунов от температуры:

2 — для гладких образцов из серого чугуна; 2 — для гладких образцов из чугуна ВЧ60-2; 3 — для образцов из чугуна ВЧ60-2 с круго­

выми надрезами.

3) поверхностное роликовое упрочнение повышает цикличе­ скую прочность, хотя и менее эффективно сравнительно с электро­ закалкой; в надрезанных образцах градиент этого повышения

более	высокий, чем	в гладких образцах;
4)	поверхностная	дробеструйная обработка повышает также
циклическую прочность изделий из			такого чугуна;
5)	поверхностный наклеп вызывает		значительное повышение

сопротивляемости чугунных изделий длительному действию удар­ ных нагружений; кроме того, в чугуне с глобулярным графитом встречаются иногда дефекты в виде неметаллических включений

		(черные пятна),		которые		понижают его
в -j кг/мм*		предел усталости; применение в					этих слу­
26		чаях поверхностного			наклепа		восстана­
2		вливает предел усталости до нормальных
Ч	Кя	показателей.		причины		положительного
22		Физические
		влияния	поверхностных			механических
	N	и термических методов			обработки на ци­
		клическую	прочность		изделий		из чугуна

сшаровидным графитом заключаются

/в том, что в поверхностном слое изделий появляются при этом остаточные сжимаю­ щие напряжения и что сам поверхностный

оюо 200 зоо т °с слой упрочняется. Благоприятным обстоя­

тельством здесь, особенно при поверх­ ностной закалке, является также перевод начального очага усталостного разруше­ ния в подкорковую зону, в результате чего, а также вследствие изменения сред­ него напряжения и предельной амплитуды цикла появляющиеся там остаточные растягивающие напряжения становятся менее опасными.

Следует с бесспорностью утверждать, что сверхпрочные чугуны с шаровидным графитом могут во многих случаях с полным прочностным и экономическим эффек­

том заменить собой сталь в изделиях (деталях машин и				элементах
инженерных	конструкций),	работающих	даже при	больших
циклических	нагружениях.	положения в	табл. 73 (сравнитель­
Для иллюстрации этого

ной) приведены величины показателей прочности (статической и циклической) и пластичности натуральных коленчатых валов, более или менее одинаковыхпо форме, отлитых из высокопрочного чугуна (перлитного и ферритного), из серого чугуна, а также кован­ ных из стали 45, поверхности которых не подвергались какой-либо упрочняющей обработке, кроме галтелей, обкатанных роликами.

Для представления о циклической прочности чугуна с шаро­ видным графитом при повышенных температурах (200, 300, 400

Сравнительная

Материал

прочность коленчатых		валов,	изготовленных из
и из чугуна разных сортов				Относительное сужениепри раз­ *фврыве%	Ударная в
	Предел Одв	Еь	Относительноеудли­ принениеразрыве 65%в
	прочности	ft)			вязкость
		1
Состояние	КЗ{.МЛ#	§•5			кгм1см%
		ОО
		а 5
поверхности		s i
вала		**

О) чн

а

стали

Твердость НВ

Сталь 45		Неупрочнена	74,0	30,5	19,6	43,4	4,6	193
Серый чугун		»	23,0	10,5			0,85	179
СЧ21-40 . . . .
Высокопрочный
перлитный	чу­	»	58,6	25,5	1,2		1,1	247
гун ...................
Высокопрочный
ферритный	чу­	»	53,5	22,5	7,2	7,8	3,4	192
гун
и 500°) на фиг.		120 приведены в виде сводных графиков резуль­

таты специального исследования на образцах из сверхпрочного чугуна' ВЧ 60-2 (в литом состоянии) и из серого чугуна.

Это исследование показывает, что циклическая прочность у всех чугунов падает с повышением температуры, причем осо­ бенно интенсивно у сверхпрочных чугунов после температуры 300°. Отметим еще, что повышение температуры испытаний высо­ копрочных чугунов выше 400° сопровождается значительным (до 2—4 раз) повышением их относительного удлинения..