CC BY
301
УДК 669.017:621.73
ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ МЕТОДОВ ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ НА УСТАЛОСТНУЮ ПРОЧНОСТЬ
И.В. Пономаренко, аспирант, С.С. Дьяченко, профессор, д.т.н., И.В. Дощечкина, доцент, к.т.н., И.И. Кондратенко, студент, ХНА-
ДУ
Аннотация. Рассмотрено влияние химико-термической и ионно-плазменной обработки на усталостную прочность малоуглеродистых конструкционных сталей. Установлено, что азотирование и цементация существенно повышают предел выносливости сталей, однако эти виды обработки резко охрупчивают металл, что проявляется в значительном разбросе значений а_ь Ионно-плазменная обработка незначительно влияет на с—1 (прирост не превышает 6 %), однако стабильность значений С-1 резко возрастает.
Ключевые слова: азотирование, цементация, улучшение, ионная бомбардировка, усталостная прочность.
Введение
В связи с усложнением современных конструкций, ужесточением режимов эксплуатации, интенсификацией работы особое значение приобретает свойство материала сопротивляться усталостному разрушению. Это подтверждается статистическими данными - около 80 % разрушений деталей машин вызываются усталостными процессами [1]. Поэтому поиск возможностей повышения сопротивления материала усталостному разрушению является актуальной задачей. Ее решение может привести к повышению конструкционной прочности изделий, а следовательно, и надежности конструкции в целом.
Известно, что сопротивление материала циклическому нагружению значительно ниже статической прочности. При повышении временного сопротивления усталостная прочность растет, однако для высокопрочного состояния (СВ > 1300 МПа) вследствие охрупчивания наблюдается снижение с-[ [1].
Анализ публикаций
Общеизвестным фактом является то, что усталостное разрушение начинается с поверхности детали, а следовательно, от состояния поверхностного слоя (шероховатости, наличия микротрещин, их размера, пористости и т.д.) будет зависеть предел выносливости материала. С другой стороны, наличие сжимающих внутренних напряжений на поверхности изделия способствует зна-
чительному повышению сопротивления усталостному разрушению [2].
В настоящее время для поверхностного упрочнения деталей, работающих в условиях трения и износа, широко используют различные методы ХТО. При этом в упрочненном поверхностном слое деталей возникают внутренние сжимающие напряжения, которые способствуют повышению усталостной прочности материала. Так, в цементируемых изделиях после закалки и низкого отпуска уровень поверхностных сжимающих напряжений составляет ~ 300 МПа, при азотировании ~ 600-800 МПа, вследствие чего, предел выносливости увеличивается в 1,3—1,5 раза [3].
В работе [4] было установлено, что обработка поверхности изделий из конструкционных сталей ионно-плазменным методом (КИБ) существенно (~ на 24 %) повышает временное сопротивление и ~ на 42 % условный предел текучести. При этом значения показателей пластичности не только не снижаются, но даже в некоторых случаях повышаются. Значительное упрочнение (~ 24 %) регистрируется уже после ионной бомбардировки, предшествующей нанесению покрытий. Покрытие дополнительно повышает характеристики прочности ~ на 26 %. Влияние же ионно-плазменной обработки на предел выносливости сталей до сих пор не изучалось.
Цель и постановка задачи
Целью данной работы является изучение влияния различных видов поверхностного упрочнения
конструкционных сталей после разной термообработки на усталостную прочность, что позволит более точно прогнозировать долговечность изделий из этих материалов.
Методика исследований
Для исследования были выбраны конструкционные цементуемые стали 18ХГТ и 20Х. Сталь 18ХГТ также используется как азотируемая. Для сравнения сталь 20Х также подвергалась азотированию, хотя твердость азотированного слоя для этой стали намного ниже, чем для 18ХГТ.
Из указанных сталей были изготовлены стандартные образцы для испытаний на усталость (ДСТУ 2444-94, диаметр 7,5 мм). После термообработки все образцы подвергались шлифованию и полированию с целью обеспечения необходимой шероховатости (ДСТУ 2413-94).
Режимы термической обработки для обеих сталей были одинаковыми:
1 - улучшение (закалка от 880 ± 10 °С после выдержки 0,5 ч, высокий отпуск 500 °С, 1,5 ч, охлаждение на воздухе);
2 - улучшение по режиму 1 + азотирование при 500 °С, 58 ч;
3 - цементация, 930 °С, 12 ч, подстуживание до 800-820 °С, закалка в масле, низкий отпуск 180200 °С, 2 ч;
4 - закалка от 880 ± 10 °С после выдержки 0,5 ч, низкий отпуск 180-200 °С, 2 ч;
Ионно-плазменная обработка была применена для образцов после улучшения (режим 1) и после закалки с низким отпуском (режим 4).
Как известно, нанесение покрытий методом КИБ включает два процесса - очистка поверхности, на которую наносится покрытие, и осаждение самого покрытия. Ионная очистка осуществляется путем распыления поверхностного слоя обрабатываемого материала ионами плазмы вакуумной дуги, ускоренными до энергии 0,5 - 3,0 кэВ в слое, примыкающем к подложке. При этом в процессе ионной бомбардировки поверхность подложки подвергается ионному травлению, удаляются различные загрязнения (сорбированные газы, оксиды и т.п.).
Бомбардировку ионами титана проводили в среде аргона при ускоряющем напряжении U = 1,0 кВ и токе дуги I = 150 А, давление газа в камере Р = 1,3-10-1 Па. Очистку осуществляли циклично: 2 мин. очистка + 1 мин перерыв + 2 мин. очистка. После чего охлаждение в вакуумной камере.
Испытания проводили на машине МУИ 6000 при симметричном цикле нагружения. Для каждого состояния исследовали в среднем до девяти образцов.
После испытаний анализировали вид кривых усталости, значения предела выносливости, их разброс.
Результаты исследований и их обсуждение
Как и следовало ожидать, оба исследованных вида ХТО (азотирование и цементация) повышают предел выносливости, хотя и охрупчивают металл [4]. Азотирование увеличивает с-1 для стали 18ХГТ на 9 %, для стали 20Х на 60,5 %. Ионная бомбардировка практически не изменяет с-1 для стали 18ХГТ и незначительно (на ~ 6 %) повышает С-1 стали 20Х.
Усталостная прочность сталей после закалки и низкого отпуска выше, чем после улучшения (рис. 1, поз. 1 и 4), что вполне закономерно, поскольку после такой обработки Св = 1400 МПа, тогда как после улучшения 855-904 МПа в зависимости от стали [4]. Для стали 18ХГТ после закалки и низкого отпуска С-1 даже выше, чем после азотирования. Значения же с-1 для стали 20Х после такой обработки ниже, чем после азотирования (рис. 1, поз. 2 и 4).
Рис. 1. Предел выно после различно сокий отпуск; азотирование; ионная бомба
отпуск; 5 - цементацйя, закалка, нкзкий отпуск; п - сталь6!8ХГТ0 - ст$йь4 ^ЪХ20 650 580 430
Цементация с последующей закалкой и низким отпуском дает практически одинаковые значения С-1 для обеих сталей. Для 20Х С-1 осталось таким же, как после закалки с низким отпуском, для 18ХГТ С-1 повысилось на 11,5 %.
Обращает на себя внимание разброс значений С-1 после закалки и низкого отпуска. Так, для стали
18ХГТ при напряжении 525 МПа один из образцов разрушился через 2-105 циклов, тогда как другой при более высоком напряжении 580 МПа разрушился лишь после 2^106 циклов. Для 20Х один образец разрушился при 590 МПа через 3-105 циклов, тогда как для других образцов предел выносливости на базе 107 циклов равен 630 МПа.
Еще больший разброс значений С-1 регистрируется после цементации с последующей закалкой и низким отпуском. На рис. 2 белым цветом показаны минимальные, черным - максимальные значения с-1, что дает представление о нестабильности этой характеристики.
750
700
650
,600
550
500
450
400
11 г|
С-1’
МПа
660
650
640 630 620
610
600
590 580
570
104 ю5 106 Ю7
Число циклов
Рис. 3. Экспериментальные значения разрушающих напряжений для стали 18ХГТ после цементации, закалки и низкого отпуска
2
3
4
Рис. 2. Разброс значений предела выносливости сталей 18ХГТ и 20Х: 1 - закалка, низкий отпуск; 2 - цементация, закалка, низкий отпуск (сталь 18ХГТ); 3 - закалка, низкий отпуск; 4 - цементация, закалка, низкий отпуск (сталь 20Х)
Следует отметить, что усталостным испытаниям вообще свойственен разброс, поскольку разрушение от усталости в очень большой степени зависит от случайных процессов (наличия концентраторов напряжений, связанных как с состоянием поверхности образца, так и с микронеоднородностью структуры). Поэтому результаты испытаний носят вероятностный характер [1]. Однако после улучшения и азотирования разброс значений С-1 практически отсутствует.
Данные, приведенные на рис. 3 для стали 18ХГТ после цементации с последующей закалкой и низким отпуском, дают представление о характере разброса экспериментальных точек. Это свидетельствует об очень высокой чувствительности сталей в таком состоянии к случайным факторам, что может снизить надежность изделий в процессе их эксплуатации.
Чистота поверхности образцов для испытаний на растяжение и усталостную прочность различна, чем и объясняется значительно меньший эффект, достигнутый при усталостных испытаниях по сравнению со статическими. Образцы, подверженные ионной бомбардировке и используемые для определения статической прочности, имеют качество поверхности существенно выше по сравнению с образцами без ионной очистки. Для усталостных же образцов достаточно высокое качество поверхности достигается уже в процессе их подготовки, и ионная обработка практически его не меняет.
Поскольку усталостные испытания очень длительны и трудоемки, неоднократно делались попытки получить эмпирические формулы оценки предела выносливости по другим показателям механических свойств. В данной работе была предпринята попытка оценить значение С-1 расчетным путем по известным формулам
С -1 = 0,35-Св + 122; (1)
С-1 = 0,45-С0,2 + 122; (2)
С-1 = 0,25-Св + (1 + 1,35-у); (3)
С-1 = 0,5-Св . (4)
После проведения расчетов были получены результаты, представленные в табл. 1. В колонках 1-4 приведены расчетные значения предела выносливости материала по формулам (1)-(4) соответственно, а в 5 - экспериментальные.
Таблица 1 Значения предела выносливости сталей 18ХГТ и 20Х после различной обработки. полученные расчетным и экспериментальным путем
Анализируя данные таблицы, следует отметить существенное отличие экспериментальных значений усталостной прочности от расчетных. При этом для исследуемых сталей в различных состояниях наиболее близкие значения экспериментальных и расчетных данных были получены при использовании разных формул. Так, для стали 20Х после улучшения, улучшения с ионной бомбардировкой и закалки с низким отпуском наиболее близкие значения предела выносливости к экспериментальным данным получены по формуле (1). В этом случае погрешность не превышает 14 %. Определяя С-1 по формуле (2) после улучшения с азотированием и цементацией с закалкой и низким отпуском, получаем погрешность 11,2 и 1,7 % соответственно. При использовании формулы (4) для определения с-1 стали 18ХГТ после улучшения с азотированием и цементации с закалкой и низким отпуском получим минимальное несоответствие расчетных и экспериментальных данных (6 и 12,8 % соответственно). Для остальных состояний этой стали с минимальной погрешностью предел выносливости можно определить, используя в каждом случае конкретную формулу, при этом отличие результатов составит от 3,4 до 19,6 % (табл. 1).
Большое отличие расчетных значений от экспериментальных может быть следствием различных причин, основными из которых, по нашему мнению, являются безусловная индивидуальность каждого образца и его испытаний, а также возможная погрешность формул, которые в последствии могут быть скорректированы.
Выводы
Азотирование существенно повышает предел выносливости по сравнению с улучшением, но при этом резко охрупчивает материал.
Образцы после закалки с низким отпуском и цементации с закалкой и низким отпуском имеют более высокую усталостную прочность по сравнению с улучшенными образцами, но в то же время показывают большой разброс значений.
Ионно-плазменная бомбардировка после улучшения незначительно повышает о-1, но в то же время существенно увеличивает статическую прочность, не вызывая снижения пластичности. Указанную обработку можно рекомендовать для средненагруженных циклическими напряжениями деталей автомобилей, например, шатунов.
Существующие зависимости между пределом выносливости и показателями статической прочности (временное сопротивление, условный предел текучести) и пластичности (относительное сужение) нуждаются в корректировке.
Литература
1. Дяченко С.С. Фiзичнi основи мщносп та пла-
стичносл матерiалiв: Навч. поабник. - Хар-шв: Вид-во ХНАДУ, 2003. - 226 с.
2. Бернштейн М.Л., Займовский В.А. Механиче-
ские свойства металлов. - М.: Металлургия, 1979. - 496 с.
3. Dyachenko S.S., Sverdlin O.V., Zolotko V.A.,
Kaftanov S.V. Acceleration of Saturation Process and Improving Nitrided Layer Properties // Indstrial Heating. - 1998. - V. 65. - №9. -P. 99-105.
4. Дощечшна 1.В., Дяченко С.С., Пономарен
ко 1.В., Аксьонова С.1., Лобанов В.К. Вплив поверхневого змщнення на мехашчш властивосл виробiв // Автомобильный транспорт / Сб. научн. трудов. - 2005. -Вып. 16. -
С. 79-82.
Рецензент: М.А. Подригало, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Термообработка Сталь 18ХГТ
1 2 3 4 5
Улучшение 421 444 301 428 460
Улучшение + ИБ 480 563 347 512 460
Улучшение + азотирование 453 548 238 474 505
Закалка + низкий отпуск 611 661 418 698 520
Цементация + закалка + низкий отпуск 476 459 270 506 580
Сталь20Х
1 2 3 4 5
Улучшение 438 478 314 452 405
Улучшение + ИБ 489 569 355 524 430
Улучшение + азотирование 476 577 254 506 650
Закалка + низкий отпуск 612 647 406 700 580
Цементация + закалка + низкий отпуск 539 570 321 595 580
Статья поступила в редакцию 4 июля 2006 г.
