УДК 621.785.5:621.7.019:620.192
ОСТАТОЧНЫЕ СЖИМАЮЩИЕ НАПРЯЖЕНИЯ И ДЕФЕКТЫ СЛОЕВ, УПРОЧНЕННЫХ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКОЙ
© Банас Игорь Павлович, канд. техн. наук; Морозова Лариса Владимировна; Коробова Елена Николаевна; Седов Олег Владимирович
ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов». Россия, Москва. E-mail: olegsedov@yahoo.com
Статья поступила 22.02.2013 г.
Проведен глубокий анализ причин возникновения дефектов в упрочненных слоях, создаваемых химико-термической обработкой, и их влияние на работоспособность деталей в условиях изгибающих циклических нагрузок. Приведены конкретные примеры влияния остаточных напряжений на качество реальных деталей.
Ключевые слова: упрочненный слой; сжимающие напряжения; растягивающие напряжения; остаточные напряжения; химико-термическая обработка; цементация; азотирование; борирование.
Остаточные напряжения в упрочненных слоях, создаваемых химико-термической обработкой (цементацией, азотированием, бори-рованием), оказывают существенное влияние на работоспособность деталей в условиях изгибающих циклических нагрузок (зубчатые колеса, винтовые механизмы и др.).
При испытаниях на усталостную прочность образцов круглого сечения под действием сжимающих остаточных напряжений очаги разрушения оказываются смещенными от поверхности в глубь упрочненного слоя. При этом усталостная прочность цементованных конструкционных сталей увеличивается на 30-40% и оказывается на 30% выше, чем для высокоуглеродистой стали, близкой по составу и аналогичной цементованному слою по твердости. Азотирование повышает усталостную прочность конструкционной стали на 15%, борирование аустенитной стали - на 3035%. И это при высочайшей прочности азотированного и особенно борированного слоев.
Сжимающие остаточные напряжения создаются не только в результате увеличения объема от простого внедрения насыщающего вещества. Механизм увеличения объема гораздо сложнее. Так, при насыщении стали углеродом до эвтекто-идной концентрации увеличение объема не так ¡2 значительно, как при закалке. Увеличение объема при мартенситном превращении тем больше, чем больше углерода находится в твердом растворе. При заэвтектоидном насыщении увеличение £ объема начинается еще в аустенитном состоянии 5 благодаря образованию карбидов, отличающихся г кристаллическим строением от матрицы. Тем не
менее основной вклад в увеличение уровня остаточных напряжений вносит мартенситное превращение. Так, в цементованных слоях большой глубины (1,8-2,5 мм), где заэвтектоидная зона занимает 30-40% толщины слоя, уровень сжимающих напряжений у поверхности оказывается значительно меньше, чем в глубине, в месте перехода от эвтектоидной к заэвтектоидной зоне.
В азотированном и борированном слоях увеличение объема происходит не только в результате проникновения в твердый раствор насыщающего элемента, но также (и в гораздо большей степени) в результате образования новых фаз -нитридов и боридов, объем которых превышает объем исходной матрицы.
Большинство специалистов относятся к результатам усталостных испытаний как к некоторой догме, безоговорочно перенося результаты определения остаточных напряжений, полученных на плоских поверхностях, и результаты усталостных испытаний идеальных круглых образцов на детали сложной формы. На это обратил внимание И.А.Биргер в работе [1], отметив, что очень твердый и хрупкий поверхностный слой, получаемый при цементации и азотировании, может растрескиваться при действии значительных статических нагрузок.
Неоднозначное влияние остаточных напряжений на качество реальных деталей иллюстрируется рядом примеров.
Деталь круглого сечения подверглась цементации на глубину 1,8-1,9 мм, а затем закалке. При этом цементованный слой увеличился в размере значительно больше, чем сердцевина. Толщина детали 7 мм, т.е. соотношение суммарной толщи-
Рис. 1. Трещина на границе цементованного слоя и сердцевины в детали из конструкционной стали,
где отношение толщины сердцевины к толщине слоя меньше 2 (х100)
ны слоя с обеих сторон детали и сердцевины чуть меньше двух. Увеличение объема цементованного слоя при закалке оказалось не только больше сердцевины, но превзошло пластическую деформацию вязкой, малоуглеродистой сердцевины (рис. 1). На границе слоя и сердцевины образовалась трещина.
Если разрушение на такой простой детали возможно из-за разницы увеличения объемов, то что следует ожидать в местах тройной стыковки цементованных слоев на уголке вершины зуба шестерни? Ведь в этом месте объем сердцевины значительно меньше объема стыкующихся слоев. Цементованный слой на торце зуба, как мостик, опирается на слой вершины и рабочих профилей. Удлинение этих слоев при закалке настолько превосходит удлинение тонкой сердцевины, что цементованный слой торца отрывается и превращается в «мостик», который хрупко отламывается при небольшом нагружении, оголяя уголок сердцевины. При попытке прошлифовать торец у вершины хрупко отделились все уголки зубьев. При этом цементованные слои возвышались над углублениями сердцевины настолько, что при попытке отполировать изломы на торцах полировался слой, а сердцевина оказалась недоступной (рис. 2).
С учетом опыта разрушения торца его защитили от цементации, но ширина вершины зуба почти равна толщине цементованного слоя. Два слоя, состыкованные у вершины, образуют пересыщенный углеродом сплошной «шнур». С увеличением объема слоев сжимающие напряжения выдавливают вершину, стремясь оторвать ее от сердцевины. Поверхность вершины оказывается под действием растягивающих напряжений, соизмеримых с прочностью высокоуглеродистой стали. Как по-другому можно объяснить образование продольных трещин на поверхности вершин зубьев (рис. 3)?
Примеры того, как разрушается поверхность при цементации на большую глубину, повторялись неоднократно, особенно при цементации корро-зионностойкой стали, чрезвычайно склонной к пересыщению углеродом. Половина толщины цементованного слоя оказывается насыщенной карбидами. При закалке зона слоя с малым количеством карбидов увеличивается в объеме больше, чем поверхностная, пересыщенная карбидами. В глубине слоя создаются сжимающие напряжения, а поверхность оказывается под действием растягивающих напряжений. К закалке таких деталей требуется особый подход (рис. 4).
Особенно чувствительны к рельефу поверхности азотированные слои. Стыковка азотированных поверхностей под прямым углом практически всегда приводит к растрескиванию. Причем трещина может распространиться на всю глубину слоя (конструкционной стали). Микрорастрескивание коррозионностойкой стали, особенно содержащей кобальт, идет по границам зерен и в наиболее напряженном месте превращается в широко раскрытую трещину. Это напряженное место бывает не в вершине угла, а рядом с ней, так что трещина направлена от угла сердцевины (рис. 5) перпендикулярно поверхности.
Борирование аустенитной стали обеспечивает не только повышение твердости, износо- и коррозионной стойкости, но и увеличивает усталостную прочность образцов благодаря высокому уровню сжимающих напряжений в борированном слое толщиной 0,2-0,5 мм. Но если борированные слои стыкуются под прямым углом или образуют сплошное покрытие на вершине резьбы, то достаточно прикосновения шлифовального круга, чтобы под действием суммарного напряжения произошел отрыв вершины зубцов резьбы (рис. 6).
Приведенные примеры показывают, что высокий уровень сжимающих напряжений в диффузионном слое возникает при увеличении его объема
Рис. 2. Сколы цементованного слоя на углах зубьев шестерни (х3)
Рис. 3. Трещины на вершине зуба зубчатого колеса с узкой вершиной
А
Рис. 4. Трещина на цементованной детали из коррозионностойкой стали
Рис. 6. Скол вершины резьбы борированного винта из аустенитной стали
Рис. 5. Трещины на остром углу азотированной детали из конструкционной стали (а) и на углах азотированной детали из коррозионностойкой стали (б)
- большем, чем увеличение объема сердцевины. Таким образом, сердцевина под слоем находится под действием растягивающих напряжений. Площадь поверхностного слоя больше площади соединенной с ним сердцевины. Если объем сердцевины под слоем мал, то деталь деформируется. Если жесткость сердцевины достаточна, то слой просто выдвинется за пределы сердцевины. Когда на стыке поверхностей встречаются два слоя, то они выдавливают друг друга так, что края слоев приподнимаются над сердцевиной, изгибаются и на стыке растягиваются.
Выходит, что чем больше сжимающие напряжения в слое, тем больше растягивающие напря-
жения на стыке слоев, т.е. тем больше вероятность образования трещин, отслоений и зарождения эксплуатационных разрушений.
Заключение. Действенным способом снижения вероятности вышеописанных разрушений является использование вакуумных технологий химико-термической обработки (цементация, ионно-плазменное азотирование) [2], использование защитных покрытий, предотвращающих стыковку диффузионных слоев [3].
Избежать зарождения трещин можно, по возможности исключая стыки упрочненных поверхностей, скругляя плоские прямолинейные фаски, увеличивая их размеры, не нагружая место стыка упрочненных поверхностей.
Библиографический список
1. Биргер И.А. Остаточные напряжения. М. : Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, 1963. 213 с.
2. Авиационные материалы и технологии: Юбилейный науч.-технич. сб. (приложение к журналу «Авиационные материалы и технологии») / Под общ. ред. академика РАН, проф Е.Н.Каблова. М. : ВИАМ, 2012. 476 с.
3. Оспенникова О.Г. Стратегия развития жаропрочных сплавов и сталей специального назначения, защитных и теплозащитных покрытий // Авиационные материалы и технологии. 2012. № 2. С. 4-32.
RESIDUAL COMPRESSIVE STRESSES AND DEFECTS OF LAYERS HARDENED BY THERMOCHEMICAL TREATMENT
© Banas I.P., Cand. Sc. (Eng.); Morozova L.V.; Korobova E.N.; Sedov O.V.
^ Analysis of the causes of defects in the hardened layers produced by thermochemical treatment, and their effect on the
performance of parts under cyclic bending loads is conducted. Specific examples of effect of residual stresse
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.