Остаточные напряжения, прочность и деформации при поверхностной закалке токами высокой частоты

В книге изложены вопросы, связанные со свойствами поверхностно закаленных деталей машиностроения: усталостной прочностью

171 66 10MB

Russian Pages 144 [146] Year 1973

Report DMCA / Copyright

DOWNLOAD FILE

Остаточные напряжения, прочность и деформации при поверхностной закалке токами высокой частоты

Table of contents :
Введение
Глава I. Основные факторы, влияющие на долговечность поверхностно закаленных деталей
1. Схема поверхностного упрочнения
2. Влияние остаточных напряжений на прочность при переменных нагрузках
3. Контактная усталость металлов
Глава II. Влияние высокочастотной закалки на механические свойства стали
4. Особенность структурных превращений в стали при быстром высокочастотном нагреве
5. Влияние легирующих элементов на структурные превращения в стали
6. Влияние условий высокочастотного нагрева на структуру и свойства закаленной стали
7. Влияние условий охлаждения на структуру и свойства закаленной стали
Глава III. Структура и свойства стали при поверхностной высокочастотной закалке
8. Распределение температуры в процессе нагрева при поверхностной закалке
9. Распределение скоростей охлаждения по сечению изделия при поверхностной закалке
10. Распределение структуры и твердости по сечению поверхностно закаленного изделия
11. Распределение структуры и твердости на поверхности изделия при зональной закалке
12. Отпуск поверхностно закаленных изделий
Глава IV. Остаточные напряжения в поверхностно закаленных изделиях
13. Общая характеристика напряженного состояния при термической обработке
14. Механизм возникновения остаточных-напряжений
15. Остаточные напряжения при местной закалке
16. Влияние некоторых факторов на величину и характер распределения остаточных напряжений
17. Влияние отпуска на остаточные напряжения
18. Остаточные напряжения в деталях машиностроения
Глава V. Деформации и коробление поверхностно закаленных изделий
19. Общие закономерности деформации при поверхностной закалке
20. Коробление деталей при поверхностной закалке
21. Коробление при местной поверхностной закалке
Глава VI. Износостойкость и контактная прочность поверхностно закаленных деталей
22. Износостойкость поверхностно закаленных деталей при трении скольжения
23. Контактная усталость поверхностно закаленных деталей
24. Влияние остаточных напряжений на контактную прочность металла
Глава VII. Влияние поверхностного упрочнения на механические свойства изделий
25. Прочность поверхностно закаленных деталей при статических и ударных испытаниях
26. Влияние поверхностного упрочнения на усталостную прочность
27. Влияние остаточных напряжений на предел выносливости
Глава VIII. Дефекты поверхностно закаленных изделий и их влияние на свойства стали
28. Возникновение микротрещин в поверхностном слое
29. Закалочные трещины
30. Дефекты, вызванные механической обработкой деталей
31. Неравномерность глубины и твердости закаленного слоя
32. Поверхностное обезуглероживание
Глава IX. Выбор формы и глубины закаленного слоя на деталях машиностроения
33. Выбор формы закаленного слоя
34. Выбор глубины закаленного слоя
Список литературы

Citation preview

Г. Ф. ГОЛОВИН

ОСТАТОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ, ПРОЧНОСТЬ И ДЕФОРМАЦИИ ПРИ ПОВЕРХНОСТНОЙ ЗАКАЛКЕ ТОКАМИ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ

ЛЕНИН Г РАД «М А ШИН ОСТР О ЕН И Е » 1973

6П4.5l Г61 УДК: 621.785.545: 539.372

Г о л о в и н Г. Ф. Остаточ ные напряжени я , прочность и деформации п р и поверх ностной закалке токами вы­ сокой частоты . Л . , «Маши ностроение» , 1973, 144 с . В книге и зл ожены воп росы , связанные со свойствами поверх ност,но закаленных деталей маши ностроения : уста­ лостной прочностью , контактной усталостью, и зн осом. Даются основные п оложени я о структурных превраще­ ниях в стали пр и быстром высокочастотном нагреве в связи с п олучением задан ных свойств поверхностного слоя и и зделия в целом . Рассмотрены закономер ности деформа ции и коробления деталей в процессе поверх ­ ностной закалки . Книга предназначена для научных и инженер но-тех ­ н ических работников , занимающихся разработкой маши­ ностроительного оборудован ия, тех нологов-механиков и тех нологов-термистов НИИ и заводов . Книга м ожет быть п олезна та кже студентам вузов соответствующих специальностей. Табл . 1 0 . Ил . 90. Список лит . 88 назв .

3125-104

г 038 (01)-73

104-73

Рецензент канд. техн . наук Н. Ф. Вязников

ВВЕДЕН И Е

В настоящее время высокочастотна я повер хностна я закалка по методу п роф . В . П . Вологдин а [9] перестала быть новым методом _поверхностного упрочнен и я деталей машиностроен и я . Если несколько лет назад этот метод п р именялся как заменитель п роцессов поверх­ ностного упрочнен и я п утем х ими ко-термической обработки , то в на­ стоящее время он выступает как р авноправный метод, в р яде случаев имеющи й не только технологическое , но и качественное п реимущество перед другими методами . Кон структоры машин п р и разработке тех­ нически х условий на ту или и н ую детал ь заранее предус матривают возможность п р именен и я высокочастотной поверхностной закалки . А это определ яет зачастую н е только выбор материала , но и неко­ торые детал и констр укци и , так как метод индукционного н агрева не универсален и п р именение его требует выполнен ия некоторых кон­ стр уктивных элементов , обеспечивающих возможность получения высокого качества нагрев а и охлаждени я . Поверхностная высокочастотная закалка , п рименяемая для дета­ лей , изготовленных чаще всего из среднеуглеродистой констр укцион ­ ной стали , позволяет получить хорошее сочетание твердости и п роч­ ности повер хностного слоя с вязкой сердцевиной . При этом свойства сердцевины могут быть заданы и обеспечены предва рительной тер ­ мической обработкой . В а р ь и рованием электрических характер исти к нагревателя (частоты тока , мощности) можно пол учать н а детал ях уп рочненный слой с толщиной , меняющейся в широких предел а х . Обычно глубина прогрева не превышает глубины прокал иваемости стали и толщин а упрочнен ного слоя мало зависит от свойств ста л и . Исключен ие составляет способ поверхностной закалки стали с ре­ гламенти рованной п рокаливаемостью , п р и котором прогрев осуще­ ствляется н а значительно большую глуб и н у , чем глубин а прокали­ ваемости [74 ]. Поверхностный характер нагрева и услов ия охлаждени я п р ед­ определ яют не только свойства упрочненного слоя , но и напряжен­ ное состояние закаливаемой детал и . Остаточные н а п р я жен и я , до­ стигающие больших з начен и й , в зависимости от и х р аспределени я в объеме деrали могут в одни х случая х способствовать повышению прочностны х свойств , в других , н аоборот, их снижать . Поэтому знание закономерностей воз н и кновени я остаточных н а п р я жен и й по­ зволяет влиять на их величину и знак и предвидеть возможные де­ формации детал и , что особенно важно п р и зональной поверхностной закалке деталей сложной формы . ·

!*

3

Качество поверхностной закалки обычно оценивается в сравне­ нии с другими в идами поверхностного упрочнен и я , в частности, пу­ тем хими ко-термической обработк и . Особенности и ндукционного на­ грева затрудняют получен ие закаленного слоя н а сложны х поверх­ ностя х . Здесь высокочастотная поверхностна я закалка не может конк у р ировать с химико-терм ической обработкой . Однако во мно­ г их случа я х у деталей сложной формы не обязательно упрочн ять всю поверхность . Примером тому могут служить шестерн и . При химико-термической обработке вся поверхность зубчатого венца упрочняется , хотя достаточно упрочн ить рабочие эвольвентные по­ верхности зубьев , работающих п р и больших контактных нагрузках , и впади н у с галтелями для повышения усталосi ной прочности зубьев. Эти задач и успешно решает и ндукционный метод нагрев а , и поверх­ ностна я высокочастотная закалка н аходит широкое п р именение в про­ изводстве зубчатых колес . Применен ие поверхностной закалки изнашивающихся поверх­ ностей деталей , ранее подвергавшихся лишь улучшению, дает боль­ шой эффект в повышен и и их долговечности . Сравнение же с дета­ лями цементированными и л и циан ированными не может заранее п р едопредел ить преимущество того и л и другого метода . Тем более, что свойства поверхностно закаленного сло я , так же как и закален­ ного после х ими ко-термической обработки , могут меняться в зави­ с имости от режимов обработки , которые в услови я х производства н е всегда бывают оптимальными . В особенности это касается поверх­ ностно й закалки , при которой можно получить заданную технологи­ ческими условиями твердость поверхности пр и плохой структуре, полученной при перегреве или недогреве детали . Текущий произ­ водственньlй контроль н е может этого выявить , если н ет постоянного наблюден и я за показателями , характер изующими температурно-вре­ менн6й режим н агрева . Таким образом , констр уктор при выборе способа поверхностного упрочнения и разработке техн ически х услов и й н а повер хностную закалку должен знать некоторые особенности и ндукционного на­ грева и свойств а , которые способен обеспечить выбранный метод упрочнения : прочность , контактную усталость , износостойкость . Технолог-механ и к должен представлять себе поведение детал и при терм ической обработке, а также закаленной детали при окончатель­ н ой механической обработке, что определяет построен ие техноло­ гического процесса изготовлен ия детал и и допуски на окончатель­ н ую доводку размеров . Технологу-термисту для обеспечен и я н ужных свойств поверх­ ностного слоя и детали в целом необходимо знать особенности , вно­ симые в кинетику фазовы х превращен и й быстрым и ндукционным на­ гревом и интенсивным охлаждени ем , обычно применяющимся при поверхностной закалке, а также определять температурно-времен­ н6й режим н агрев а , так как от этого режима зависит не только ка­ чество повер хностного слоя , но и н апря женное состояние .закален­ ной детал и .

ГЛА В АI

ОСНОВН ЫЕ ФА КТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ Н А ДОЛ ГОВЕЧНОСТЬ ПО ВЕРХНОСТНО ЗА КАЛ Е Н НЫ Х И ЗДЕЛИЙ 1.

Схе м а поверхн остноrо упрочнения

Долговечность деталей машин чаще всего определяется или допу­ стимой степенью износа повер хности и л и р ределом выносливости. Оба эти фактора в значительной мере зависят от свойств поверхност­ ного сло я . Чем выше твердость поверхностного слоя , тем в меньшей степени изнашивается деталь . Следов ательно, для повышени я износостой­ кости рабочую поверхность целесообразно упрочн ить , создав в по­ верхностных сло я х стр укту р у , благопр и ятную для сопротивлени я износу . Эти м условиям удовлетворяет повер хностная высокочастот­ ная закалка , которая позволяет повысить твердость поверхностного слоя наиболее изнашиваемых участков , не измен я я в сердцевине или смежных зона х свойств , полученных п утем п р едвар ительной термической обработк и . Упрочненный повер хностны й слой способствует повышен ию п рочности детал и в целом . Н аиболее существенно в л и я н ие свойств по­ верхностного слоя на изгибную прочность , прочность при кр учен и и и контактн ую выносливость . Действительно , н ап р я жени я о т п р и ­ ложенной внешней нагрузки - изгибающего и л и кр утящего мо­ мента - р аспределяются по сечен ию издели й неравномерно : в центре изделия напряжен и я равны f!УЛЮ, а максимального значен и я дости­ гают в повер хностных сло я х . На р и с . 1 п р иведена схема повер хностного упрочнен и я цили ндри­ ческого издел и я р ади уса R . На схеме показано распределени е вну­ тренних напр я жен и й в сечени и издел и я при изгибе. Доп ускаемые напряжен ия ааоп представл яют собой в зависимости от услов и й экспл уатации издели я или п р едел выносл ивости а_1, или предел текучести ат. Эти показател и характер изуют свойства материала и могут быть п р и н яты одинаковыми по всему сечен и ю издели я , если не применялись специальные методы повер хностного упрочнени я . Эпюра напряжен и й от внешней н агрузки , как указывалось выше, в идеальном случае представляется п р ямой л и нnей . При этом вели­ чина внешнего напр я жения может характеризоваться максимальным значением на повер хности издели я а8н или углом н а клона эпюры а. Очевидно , что угол а может быть увел ичен до такого значения , п р и котором н а п р я жение а.н на повер хности достигнет значения

·

5

допуск ' а емых напряжен и й aaon· Н а поверхности возникнет очаг раз­ р ушен и я А. П р и повер хностном у п рочнен и и н а глубин у < эпюра доп ускае мых н а п р я жени й становится более сложно й . Схематически можно представ ить, что в уп рочненном слое доп ускаемые напряжения до­ сти гают значени я а � оп (рис. 1, а) . При такой картине распределен ия допускаемых н а п ря жени й напря жени я от внешней нагр узки а8" у же н е вызывают разрушен и я , так как п р ямая ОА не касается эпюры доп ускаемых н а п ряжений. Следовательно , упрочнение поверхност-

6

а)

1

б;�п

:::i \!)

1 -� \!)

б

б)

1

� 1 1



------





,

Хк

А' бдоп

'

-----------

-� \О

о

1 1 1

>:

� х' к

о

иде­ Рис. 1. Схема п оверхностног о уп рочнения цилиндрических деталей : а альный случай - без кон центраторов в неш них напряжений на поверхности; б реальный случай -

-

' но го слоя позвол яет увел ич ить внешнюю н агр узку . однако на р и с . 1, а в идно , что увел ичен ие н а п р я жен и я от внешней н а грузки возможно только до а :". при котором угол а увел ич ится до а'. В этом случае эпюра н а п р я жен и й от внешней нагрузки будет касаться эпюры доп ускаемых напр яжен и й в точке А ', и в этом месте, т . е . на вн утрен­ ней границе упрочненн ог о слоя , появится очаг разр ушен и я . Пр и таком распределен и и сво йств по сечению издел и я , когда очаг разр ушения· появляется на в н утренней гран ице уп рочненного слоя , т . е. в месте , где ааоп снижается до значен и я , свойственного исходному состо я н ию матер иала , свойства уп рочненного слоя пол­ ностью не используются . Дальнейшее упрочнение возможно за счет увеличения толщины упрочнен ного слоя , напр имер до Х:· В этом случае угол наклона п р ямо й а8" может быть увеличен до а", значе­ н и е н а п р я жен и й от внешней нагрузки достигнет а;н и оча г разру­ шени я будет снова на, повер хности (точка А "). Здесь полностью ис­ пользуются свойства упрочненного повер хностного слоя . Дал ьней­ шее увел ичение толщины упрочненного слоя нецелесообразно , та к 6

как оно не будет способствовать повышен ию изгибной п рочности изделия в целом. Известно , что л инейное распределение по сечен ию издели я на­ п ряжен и й от внешн и х нагрузок может рассматриваться только как идеальны й случай н а п р я женного состоян и я , п р и котором поверх­ ность изделия идеально ров н а я и отсутствуют какие-либо концен­ траторы напряжени й . Поверхность. реальных издел и й всегда имеет дефекты или искусственные концентраторы напр яжен и й - канав к и , выточки , галтел и и т . п . Н а границе концентратора п оявляется п и к напряжен и й о т п р иложен ной нагр уз· к и . Такие п и к и возможны и внутри издели я - около пор , включен и й , на гран ице раздела фаз с различным уровнем п рочности и п.тiастичности и т . п . , но они рас­ полагаются н а некотором удалени и от поверхности , там , где н ап· р я ­ жения о т внешней нагрузки уже несколько снижены . Поэтому в н у ­ тренние концентраторы напряжен и й обычно играют меньшую роль. Однако кр упные дефекты.иногда сл ужат п р ичиной преждевременного разрушен и я издели я при эксплуатации . В некоторых случа я х искус­ ственные. концентраторы н а п р яжен и й могут быть созданы на вну­ тренних повер хностя х полых издели й и могут определ ять уро�зень прочности издел и я . В табл . 1 п р иведены п р ибл ижен ные значен ия коэффи циента кон­ центрации напряжени й k р азл ичных конструктивных элементов , для сталей с р азличным значен ием предела п рочности 00 • При малых р а ­ диусах выточки и л и галтел и напр я жен и я в з о н е концентратора уве­ личиваются более, чем в 2 раза. Незначительные дефекты , такие как риски , оставленные токарной обработкой , увел ичивают напря­ жен ие в зоне дефекта в 1,2-1,3 раза и , следовательно , во столько же раз снижают п рочность издел и я . Таб

л

и

ц

а

1 . Значения коэффициента концентрации напряжений на валах с вы точкой и с галтелью [5]

Вид образца

Валик диаметром D с круrовой выточкой радиуса r

··---

_палец с диаметрами D1 >

> D и галтелью радиуса

r

1

а8, кГ;мм2

r/D

45

0,05

1,8

1 , 86

1 , 94

2, 20

0, 1

1 , 62

1 ,7

1 , 75

1,81

0,2

1 , 35

- 1 , 38

1 , 43

1 , 47

0, 3

1, 18

1,2

1 ,24

1 , 28

0, 4

1, 1

1,12

1, 15

1, 1 7

1

60- 65

1

80

1

100

-- -- --

0,05

-

1,8

1 , 85

2,05

0, 1

-

1,4

1,5

1 , 78

0, 2

-

1,15

1, 15

1 , 25

0, 3

-

1 ,0

1, 1

1,2 7

П р и наличии концентраторов н а п р яжен и й повер хностное упроч­ нение оказывается особенно эффективным , что иллюстр и р уется схе­ мой на р и с . J, 6, где р азмер ы даны в тех же соотношен и я х , что и н а р и с . 1, а. Эпюра внешни х н а п р я жений характер изуется ломаной л и н ией . Если повер хностное упрочнение отсутствует, то очаг раз­ р ушени я появится н а повер хности в месте расположения концентра­ тор а нап р я жен и й (точка А). Пр и этом измеренное или рассчитанное з начен ие напряжен и й от внешней нагрузки будет равно авн• т. е. будет значительно меньше , чем ааоп матер иала , не имеющего де­ фектов . Упрочнен ие повер хностного слоя на незначительн ую глу­ б и н у дает возможность увел ичить а8н до а�н• п р и котором полностью используются свойства повер хностного слоя , но которое может ока­ заться меньшим по сравнению с допускаемым напр яжением мате­ р иала , не имеющего дефектов . Сопоставлен ие р и с . 1, а и б показы­ в ает, что н а реальных издел иях , нейзбежно имеющих на повер хности дефекты от механической обработки , повер хностное упрочнение мо­ жет быть значительным п р и сравн ительно малых глубин а х уп роч­ ненного слоя . Увеличение глубины упрочненного слоя свер х < не дает дополн ительного увеличен и я п рочности . Степень упрочнени я зав исит от многих факторов - сво�ств мате­ р иала в исходном и закаленном состояниях , конфигурации изделия , его размеров и т . п . Н а и больши й эффект упрочнен и я достигается на деталях, имеющих н а повер хности концентраторы напр яжен и й , так как п р и правильном выборе режима упрочнен и я можно полностью л и кв идировать в р едное влияние концентраторов и обеспечить до­ полн ительное упрочнение за счет создан и я в издел и и благоп р ият­ ного распределен ия остаточных н а п р яжен и й . 2.

Вл ияни е остаточных н а пряжени й н а прочность при перемен н ых н агрузках

Остаточные н а п р я жения , сохраняющиеся в издели и после тер­ мической обработки и .Л и созданные специальными методами повер х­ ностного упрочнен и я , оказывают существенное влияние н а вынос­ ливость и дол говечность деталей машиностроен и я п р и работе н а переменный и з г и б и кр учен ие. В т е х зонах , где сосредоточены сжи­ мающие остаточные н а п р яжени я , увеличивается сопротивлен ие уста­ лостному разр ушени ю . Н аоборот, зоны действи я растягивающи х усили й оказываются ослаблен ными . Таким обр азом, остаточные на­ п р яжен и я того или и ного знака в какой-то мере суммир уются с вне ш ­ ней нагрузкой , увел ичивая или уменьшая ее значение. Х а р а ктер влияния остаточных напряжен и й н а уровень доп ускае­ мых н а п ряжен и й может быть иллюстр ирован на р и с . 2 . При цикли­ ческой нагр узке возн и кающие в издели и н а п ряжени я изменяются по син усоиде, которая р асположена симметрично относительно н уле­ вого значен и я напр я жен и й . Ампл итуда А не может иметь значен ие, п ревышающее величину ат> которая существенно меньше предела п рочности матер иала . Действ ие остаточных напр яжен и й аост сво8

дится к смещению н улевой л и н и и и получен ию асимметр ичного цикла . Так, при действи и остаточных р астягивающих н ап р я жений н а п р я ­ жения о т внешней нагр узки а8н колеблются относительно л и н и и О'О' (рис. 2, а) . Это п р иводит к тому , что максимально допустимая амплитуда внешни х н ап р я жен ий , положительное з начение которой по-прежнему н е должно п ревышать допустимой величины ар ока­ зывается мен ьше. Сжимающие остаточные напряжен и я , имеющие про- а) б тивоположный знак , должны вы­ читаться , т . е . сдвигать осевую линию по оси орди н ат вниз (рис . 2, 6). Ка к в идно из п р иведенного графика , в этом случае амплитуда внешней нагрузки может быть увеличена по сравнению с симме­ тричным циклом нагр ужен и я . Однако пр ямого суммиров а н и я значений напр яжени й , остаточных и возникших от п риложенной н а ­ грузки , в обоих сл учаях не на ­ блюдается . Степень вли я н и я оста­ точных напр яжен и й на предел выносл ивости п р и изгибе и кр уче­ нии может быть показана с помощью диаграммы Смита� (рис . 3). По оси ординат откладываются свойства матер иала - пределы текучести , прочности , выносл ивости ; по оси абсцисс - сумма действующих напряжен и й . Амплитуда доп ускае­ Рис. 2. Схема вли яния остаточных на ­ п р яжений на предельную амплитуду мых напр яжени й п р и циклической внешнего нап ряжения : нагрузке отсчитывается от оси , А м а к с и м а л ь н а я а м п л и туда п р н отсут­ расположенной под углом 45° к с т в и и о статоч н ых н а п р я ж е н и й ; А' н А" ж е п р и н а л и ч и и соответств е н н о р а с т я­ осям координат. Пр и симметр ичном то г и в а ю щ и х и с ж и м а ю щ их остаточ н ы х н а· п р я ж е н нй цикле нагр ужени я сумма действу­ ющих напр яжений, изменяющихся от +а_1 до -а_1, равна н улю . Поэтому ампл итуда допускаемых напряжен ий отсчитывается непосредственно н а оси ординат. П р и действии дополнительных растягивающи х остаточных н а п р я жени й суммарные н а п р я жения а� становятся положительными . П р и таком з начени и суммар н ы х н а п р я жен и й амплитуда допускаемы х н а п р я ­ жен и й становится равной а�1• Как в идно из диаграммы , а�1 � а _1, следовательно , п редел выносливости издели я под влия н ием р астя ­ гивающих нацр я жен и й снижается . Увеличен ие абсолютного значе­ н и я растягивающих остаточных н а п р я жен и й постепенно п р иводит к тому, что амплитуда н а п р я жений в момент растяжени я п р и бл и ­ жается к значен ию п редела текучести ар после чего п редел выносли -

J

-

-

9

вости начинает рез�о снижаться . Зн ачен ие az кр (рис . 3) есть то кр итическое значен ие остаточных р астягивающих напряжен и й, п р и котором издел ие становится полностью неработоспособным . Нал ичие в издели и сжимающих (отр ицательных) остаточных на­ п ряжени й сдвигает O' z в область отрицательных значен и й . Предел выцосливости п р и этом соответственно р астет, а::_1 > а_:1• И . А . Б и р гер [6] установил 6 о' парабол ическую зависимость , хара ктер изующую влияние постоян:::: бв н а п ря жен ия , ат, на величину ного бт допускаемого циклического напря­ жен и я av для материала , имею­ щего преде.'1 п рочности а8 и предел усталости а_1 ------ � --

Эта зависимость может быть распространена и на дейст�;ше оста­ о точных напря жени й, полученных после термической обработки и играющи х роль постоянно дей­ ствующих напряжен и й ка кого­ Р ис . 3. Диаграмма Смита влия ния ос­ таточны х напряжений на предел выно­ либо зна ка ат. сливости издели я : Диаграмма на р ис . 3 не дает ограничения положительного влия­ предел усталост11 при отсутствии (J -1 н и я сжимающих остаточных на­ о с т а точ н ых н а п р яжени й; а_ 1 и а_ 1 п р я жен ий . С точки Зрения работы то же п р и н а л и ч и и растягивающих или сжимающих остаточных на п р яжений издел и я на усталость , сжимающие остаточные напряжен ия всегда полезны . Однако в действительно сти огран ичение может быть по др угим п р ичинам, которые могут п р иводить к возникновению де­ фектов в у п рочнен ном издели и . В ча стности , увеличен ие в поверх­ ностном слое сжимающих осевых и тан генциальных напряжений п р иводит к росту в редных растя ги вающих радиальных остаточных н ап р я жен и й, которые п р и определенны х услови я х могут играть ре­ шающую рол ь в определен и и у ровня допускаемы х напряжений . Н а иболее эффективн о действие остаточных нап ряжен и й п р и на­ л ичии н а повер хности издели я концентраторо в н апря жен ий . В этом случае д иаграмма Смита становитс я искаженн ой (рис. 4) . Под влия ­ нием кон центраторов напряжен и й снижается общи й уровень предела выносливости : -

'

"

0'�1 < 0'_1•

Общая закономер ность влияния остаточных напряжен и й на пре­ дел выносливости полностью сохраняется в п р авой-части диаграммы­ в зоне действи я р астя гивающих напряжени й . Увеличен ие предела 10

текучести в зоне действи я концентратора н а п р я жен и й , обусловлен ­ ное напряженным состоянием , способствует увел ичению к ритиче­ ского значени я суммарных постоянно действующих. н а п р я жени й . В зоне действи я сжимающи х остаточных напряжен и й общая законо­ мерность влияния остаточны х н а п р я жени й сохраняется только до оп­ ределенной величины а кр· При б больших абсолютны х значен и я х остаточные сжимающие напря­ б; жен ия н ачинают компенсиро­ бт ------т; / вать вредное влияние кон цен­ ,/'' траторов напр яжен и й . Н аблю­ / / " ув_ е л ичение дается резкое .б., " предела выносл ивости , и когда остаточные напр яжен ия дости­ гают значен и я -а � Р' концен­ траторы перестают оказывать влияние на п рочность издели я . Растяi----+---+- ---+�\\>7\---!

Рис . 1 5 . Связь п редела п рочности сr8 и относител ь­ ного сужения 'Ф сталей 40, 55ПП и У8 с зер ном 1 41 5 баллов (1) и 7-8 баллов (2) [ 6 1 ]

Дл я стр уктуры мартенсита , получен ного п р и высокочастотной термической обр аботке с п р именением бол ьшой скорости нагрева , характер на неоднородность , выя вляемая п р и микроскопическом ис­ следован и и . В эвтектоидной и заэвтектоидной стали мартенсит может сохранить р исунок перл ита , Это связано с тем , что после быстрого нагрева аустенит может остаться неоднородным по содержанию угле­ рода : в местах , бывши.�s в исходном состоянии цементитом , концен­ трация углерода оказывается повышенной по сравнению с участками , бывшими ранее фер р итом . Такая неоднородность мартенсита н е вы­ зывает снижения усредненного значения твердости . Условия пол у ­ чения р исунка перл ита в мартенсите критичны - он сохраняется в очень узком интер вале температур нагрев а , поэтому зоны с такой стр уктурой в поверх ностно за каленном слое очень малы и определ ить. их вл ияние н а общие свойства закален ного издели я затруднительно . Во вся ком случае поя влен ие _ такой структуры н а поверх ности зака­ ленного издел ия свидетельствует о недогреве и сл ишком малой глу ­ бине закален ного на задан ные свойства слоя . 27

Более я р ко выявляется микронеоднородность стр уктуры з акален­ ного сло я п р и закал ке доэвтектоидной стали . В р аботе [44 ] методом м и кро р адиографии показано, что в доэвтектоидной у глеродистой стали полное выр авнивание концентр ации у глерода в аустен ите п р и быстром нагреве достигается только п р и очень высоких темпера­ ту р а х . В этих условиях рост зер н а протекает и нтенсивно, укруп-_. няется блочная стр у ктур а и качественные п реимущества быстрого н агрева тер я ются . Практически для получения удовлетвор ительных свойств · закаленной стру ктуры не требуется полной гомогенизации аустенита . П р и повер хностной высокоча­ стотной закал ке аустенит всегда остается HRC неоднородным . По-видимом у , речь может 65 Цk-1-,,..J;���� идти тол ько о допустимой степени микро­ неоднородности в каждом конкретном случае . П р и этом следует учитывать , что благо­ даря ч резвычайно большой и нтенсивности охлаждения , пр именяемой п р и высокоча­ стотной термической обработке, структура мартенсита может быть получен а в объе­ мах с пониженной концентр ацией углерода , 100.? о.з OJ о.5 О.б 0. 1 о.в О.9 если пр именяемая скорость охлаждения % С оказывается больше критической для ста­ Р ис . 16. Зависимость твер л и , имеющей соответствующий состав по дости зака л ен ной ста л и от углероду . содержания у гл ерода : Н а р и с . 1 6 п р и веден а зависимость тверя з а калка; Н п.э п ов е р х ностн а твердост И ЗаКаЛеННОЙ СТаЛИ ОТ СОдержаНИЯ О Д СТ и, Но .э д и а п а з о ни б углерода . Заштр ихованная область харак­ пр о ычной з ап ол у ч а е м о й д и а п а з о н тв ердокалке; тер изует тот р азброс свойств, который н•• сти п о л у м а р т е н с и тн о й стр у к тур ы получается пр и обыч ной термической обработке . Одной из п р ич и н такого широкого диапазона твердости , получаемой на одной и той же м а р ке стал и , я вляется микронеоднородность концентрации углерода . И з диаграммы в идно , что оди наковые свойства (твердость) могут быть получены п р и р азл ичной концентрации углерода в мартенсите . Если скорость охл аждения была достаточно вел и к а , чтобы полу­ ч ить мартенситную стр у ктур у в зонах с пониженной концентрацией , микрострукту р а будет х а р а ктер изоваться неоднородной протр ави­ мостью . В большинстве случаев это не выявляется измерением микро­ твердости . В кр ай нем случае колебания будут в пределах 1 -2 ед. Н R C. Если .охлаждение было недостаточно и нтенсивно , то могут поя виться участки троостита и л и верхнего бей н ита , которые в струк­ туре ор иентированы по бывшей сетке фер р ита . По микроструктур е может быть затруднительно отл ичить верх н и й бейнит от сильно про­ травившегося мартенсита . Однако это р азличие можно уловить из­ мерением микротвердости , которая в участках бейн ита существенно ниже. Подобная неоднородность стр у ктур ы закаленной стали в боль­ шинстве случаев недопустим а . ��-.--��-т---.---r----i

-

-

-

28

Неоднородность микроструктур ы стали тем более я р ко выр а ­ жен а , чем крупнее и сходное зерно стал и , т а к как в этом случае круп­ нее участки фер рита и больше времени требуется н а гомогенизацию аустенита . В структуре сор бита , получен ной предварительной тер ­ мической обр аботкой - улучшением - нет четкой дифференциации фер рита и перл ита , поэтому п роцесс гомогенизаци и з авершается быстрее и легче получить однородный м а ртенсит. Следовательно , тем легче достигается после закалки твердость , близкая к вер хнему пределу области Н0 • з (см . р и с . 1 6) . Пр и некоторых режимах н а грева среднеуглеродистой стали мо­ жет сохраниться а номал ия вел ичины зер н а аустенита , а впоследствии аномалия игольчатости м артенсита . Зон ы , бывшие р анее перлитными колоням и , дадут к концу н агрева крупное зер но аустенита , а в местах скопления ферр ита сох р а н ится мелкое зер но, получившееся при фа­ зовой перекристаллизации фер р ита: в аустенит при темпер атуре , соответствующей точ ке G н а р и с . 7 . По мере повышения температуры нагрева а номалия может быть л и квидирован а или уменьшена н а ­ столько , что в структуре мартенсита будет с трудом р азличаться . Кривая Нп. 3 н а р и с . 1 6 дает максимальные з н ачения твердости , получаемой п р и закалке сталей с р азличным содержанием у глер ода . Как видно , эта твердость н а 2-3 ед . Н R C выше, чем верх н я я -гр а ­ ни ц а области Н0 • 8• Максимальная твердость получается обычно при повер хностной закалке , п р и которой наиболее полно сочетаются оптимальные условия быстрого н агрева и охлаждения . Как указы­ валось выше , незначительное повышен ие твердости происходит за счет получения более тон кого строени я м артенсита . Второй п р ичиной являются условия охл аждения , которые будут р ассмот.р ены в п. 7. Следует отметить , что я вление свер хтвердости имеет гл авным обр азом теоретический и нтерес, так к а к факторы , обеспечивающие повышенную твердость , пр актически не и спользуются . Самоотпуск или последующи й отпуск л иквидир ует вли я н ие особенностей н а ­ грева и охл аждения , свойственных поверхностной закалке, и к а ­ чественное п реимущество быстрого н а грева сказывается в пер вую очередь на других показ ател я х прочности и пластичности . В л итер атуре п р иводятся р азличного рода диаграмм ы , позволяю­ щие выбр ать тем пер атуру в зависимости от скорости нагрева [42 , 29 ] . Некоторая р азнореч и вость рекомендаций связа н а главным обр азом с тем , что стру кту р а аустен ита к моменту закалки зависит не столько от скорости нагрева , сколько от суммар ного времени аустен итизации , т. е . от времени пребыван и я стали в области тем ператур фазовых пре­ вращений , независимо от того , происходит н агрев или уже началось охлаждение [ 1 8 ] . Разная глубина прогрев а , р азличное р аспределе­ ние темпер атуры по толщине н агретого слоя и т . п . вносят свои осо­ бенности , которые заставляют каждый р аз уточш�:ть опытным путем режим поверх ностной закалки .

29

7.

В л и я н и е усп о в и ii охлаж д е н ия н а структуру и свой ства аакаленноii стал и

П р и поверхностной закал ке обычно пр именяется быстрое охла­ ждение. Необходимость такого охлаждения определяется , во-пер-_ вых , некоторыми тех нологическими и тепловыми факторами, во­ вто ры х , особенностью строения аустен ита , полученного после бы ­ строго высокочастотного н агрева . При поверхностном на­ греве добиваются оп реде­ лен ного р аспределения температуры по сечению на греваемого · слоя . Быст­ рое охлажден ие предотвра­ щает выравнивание тепла по сечению издел ия , по, з воляет сохранить поверх­ ностный хара ктер н агрева з а исключением тех слу­ зоо чаев , когда по тех нологи­ Мн ческим соображениям за­ дается небол ьшая пауза 'tз l Н •А ост между на гревом и охлаж­ 1 -r2 1 -r1 100 '---'--"----'-'--'---'----'-----'---' ден ием . Кроме того , быст­ f 10 100 -с, сек рое охл аждение дает Рис . 17. Схематические кривые и зотермичес­ возможность сделать со­ кого р аспада аустенита у глеродистой стал и : изме р имым и . продолжи­ 1 - после медл е н н ого н а гре в а п ри а усте н и т и з а ц и и ; тел ьность на грева и про­ 2 - п о с л е б ы строг о н а г р е в а в з о н а х , о бо г а ще н н ы х уг л еродом ; 3 - т о ж е в з о н а х , о б едн е н н ы х у глер о ­ должител ьность охлажде­ дом ; т 1 , 't 't з - п р одолжитель ность и н к уб а ц и о н н о ­ ния , что обле гч ает построе­ го п ери ода ; v 1 , v :! , v3 - к р и т и ч а с к и е с к о рости о х л а ждени я н ие графика режима терм ической обр аботк и , закладываемого в а втоматизированные устройства . Как отмечалось выше , в результате быстрого н агрева аустенит сох р аняет неоднородность концентрации у глерода и п р имесей др у­ ги х элементов . В то же время. устойчивость аустенита п р и охл аждении в сильной степени зависит как от содержания углерода , так и от концентрации и равномер ности р аспределен и я легирующих элемен­ тов и неизбежны х п р имесей . На р и с. 1 7 схем атически показано вл ия­ ние однородности аустен ита н а положение к р и вых изотермического р а спада аустен ита . Из соотношения кр ивых видно , что есл и аустенит получен п р и медлен ном н а греве среднеуглеродистой доэвтекто идной стали и по оконча н и и н а грева он однороден , то р аспад его с образо­ ван ием фер р ито -цементитной смеси в и нтер вале температу р мини­ мальной устойчивости н ач и н ается через пер иод в ремен и т 1 (кр ивая 1) . Есл и аустенит получен п р и быстром на греве , то в нем сох р аняется неоднородность состава . Участки аустенита , бвывшие р а нее перли2,

30

том , могут к концу н агрева иметь концентр ацию углерода , близкую к эвтектоидной , и пер иод устойчивости в этих участках т 2 будет соот­ ветственно больше (кривая 2) . Участки аустенита бывшие в и сходной структуре фер р итом , сох ранят пониженную концентр ацию углерода , и пер иод устойчивости его т3 окажется меньше (кривая 3) .·· Таким обр азом , если п р именить для среднеуглеродистой стал и , нагретой быстро , тот же режим охлаждения , что и для стали , н агре­ той медленно ( vохл = v 2) , то в областя х , обогащенных углеродом , примененная скорость охл аждения будет заведомо больше v 1 , не­ обходимой для получен ия мартенситной структур ы , а н а участках , ·обедненных углеродом , скорость охлаждения будет недостаточна ( v3 > Vохл ) , и превр ащение аустенита в н и х произойдет в верхнем интервале темпер атур . Следовательно , дл я получения м артенсита во всем объеме закаливаемого металл а скорость охл аждения должна быть бол ьше v3, т . е . знач итель но больше , чем в условиях обычной термической обр аботки . Такая особен нос'rь поведения аустен ита проя вляется наиболее заметно в малоуглеродистых сталя х и в сталях , легированных карби­ дообразующими элементами , в кото'р ых получение однородного по составу аустенита встреч ает з атруднение . При недостаточной ско­ рости охлаждения стр укту р а после закалки может содержать мартен ­ сит и троостит, пр ичем последний будет располагаться сеткой вокруг мартенситных объемов в отл ичие от того случая , когда однородный аустенит охлаждается с умеренной скоростью и выдел ившийся в верх ­ нем интер вале темпер ату р троостит р аспол агается в виде окружен­ ных гнезд на общем фоне мартенсита . Необходимость быстрого непрерывного охлаждения в и нтер вале температур мин имальной устойчивости аустенита неизбежно п р и ­ водит к ускорению охлаждения в области мартенситного превр а­ щения . При охл аждении душем в обл асти 300-250° С, т . е . в пер иод обр азования ма ртенсита , скорость охлаждения очень велика и может достигать 1 0-20 тыс . град/сек [20 ] . Это отражается на структуре закаленной стали . В углеродистой стал и основная масса аустен ита цревр ащается в мартенсит вбл изи темпер атуры н ачала превращения , М н , т. е . в области темпер атур 250-350° С, зависящей о т концентр ации угле­ рода в ауст�_н ите . Однако этот уровень темпер атур соответствует температуре отпуска мартенсита . Следовательно, в процессе охла­ ждения мартенсит будет подвергаться отпуску - концентр ация угле­ рода в переохлажден ном твердом растворе уменьшается . Степень отпуска зависит как от темпер атуры , п р и которой идет процесс, так и от времен и пребывания стали в обл асти темпер атур отпуска . На рис. 1 8 н а диагр амму п ревр ащения аустенита п р и непрерывном охлаждении н анесены две кривые охлаждения с р азличной ско­ ростью - v1 и v3• Оба режима охл аждения обеспечивают получение структуры мартенсита . Однако режимы охлаждения р азличаются продолжительностью п ребывания структуры закалки в зоне отпуск а : Лт3 « Лт 1 • Следов ательно , степень отпуска будет р азличной . Это 31

и л люстр и р уется данными и сследова н и я концентраци и. углерода в м а ртенсите п р и р азличных режимах тер мической обр аботки (39 l. С помощью рентгеност р у ктур ного а н ал и з а определен а концентр ация углерода в м а ртенсите стал и трех марок : с содержан ием углер ода 0,45, 0 , 62 и 0 , 79 % . Обр а з цы толщио.в �-------­ ной 5 мм н агревались в печи и охлаждал и сь погружением в воду и л и и нтенсивным душем . В обоих слу­ ч а я х п роисходил з аметный отпуск м а ртенсита ( р и с . 1 9) , т а к как концен­ трация углерода в мартенсите н и в ""' "-" одном случае не дости г ает определен­ 6-< ной химическим а н ал изом . В то же О, 2 1---..---1-г�-+ врем я м артенсит , получен ны й п р и охл ажде н и и душем , сохраняет у гле­ рода в 1 , 5-2 р а з а больше , чем п р и 0, 6 0,1/0, 7 0,5 о.в 'i'o C В стали охлажде н и и погружением в воду . Это отр ажается н а твердост и зака­ Рис . 1 9 . Влияние и нтенсив ности ленных обр азцов ( р и с . 2 0) . За счет охлаждения на содержание угле­ у величения скорости охлажден и я р ода в мартенсите углеродистой ·с 800 г---.-__,_;.;=-,---,.----.--�

стали (по данным

[39 ]):

в од ы 70 м 3/сек · м• (аэ к в = 100 ООО ккал/ м• • ч · гр а д ) ; 2 - погр уже­ н и е � в од у (а э к в = 4 0 00 ккал/м ' · ч · град) 1 - о х л а жде н и е в од я н ы м душем с р а с­

ходом

HRC 7О г---�· ---J

65 r---- ·-t-----7fC--�1"""-----2--1 -,

зоо

lf5���--�---'-�---' О,З 0,5 О, 7 0.9 0.1 %С В стали 10

fO

7:',сек

10 •

Рис. 1 8 . Диаграмма распада аустенита стали 45 при непрерывном охлаждении : ·

v3 > v, > V - к р и в ые о х л а жден и я ; ,;3 t- м С'1 \.Q
;;::; t-

00

о

::;:

::;: :r: >