Кравчук - Сопротивление деформированию и разрушению поверхностно-упрочненных деталей машин и элемен

Рассмотрены вопросы несущей способности  поверхностно-упрочненных деталей машин и элементов конструкций при циклическом нагружении, а также особенности зарождения, развития и торможения усталостных трещин в поверхностно-упрочненных деталях. Указаны особенности  применения критериев подобия усталостного разрушения для определения длительной выносливости упрочненных деталей. Рассмотрены расчеты  деталей на долговечность. Разработаны графические методы определения  характеристик сопротивления материалов разрушению. Даны рекомендации по практическому применению разработанных методов.

Для специалистов, занятых проблемами конструкционной прочности, студентов высших технических учебных заведений.

Предисловие

Одной из основных задач машиностроения является выпуск  продукции, отвечающей высоким качественным показателям. Широкое внедрение в практику прогрессивных методов расчета  несущей способности и технологических процессов поверхностного  упрочнения деталей позволяет повысить их ресурс при одновременном снижении материалоемкости.

Для деталей машин и элементов конструкций, подвергающихся в  эксплуатации действию циклических напряжений, расчетные методы оценки характеристик усталости — пределов выносливости, долговечностей при напряжениях выше предела выносливости и их рассеяния за последние годы получили значительное развитие. В частности, для расчета пределов выносливости деталей машин все шире стали применять статистическую теорию и основанные на ней уравнения подобия усталостного разрушения, предложенные В.П. Когаевым и СВ. Серенсеном. Проверка этой  теории по многочисленным экспериментальным данным подтвердила ее достаточную точность. Методы расчета, вытекающие из теории, вошли в справочную и нормативную литературу, в частности ГОСТ 25.504-82 и стандарт TGL-19340.

Сложнее обстоит дело с оценкой пределов выносливости,  долговечностей, а следовательно, циклостойкости и ресурса долговечности  поверхностно-упрочненных деталей. К поверхностно-упрочненным деталям применяются те же расчетные зависимости, что и для неупрочненных деталей. Эффект упрочнения оценивается, как правило, приближенно по данным испытаний образцов, приближающихся по конструкции и  материалу к проектируемым деталям. При таком подходе резервы повышения эксплуатационных свойств за счет упрочнения часто недоиспользуются, что подчас сводит на нет поиски оптимальных методов и режимов  упрочнения.

В данной работе рассматривается круг вопросов, относящихся к  проблеме особенностей расчетов характеристик сопротивления усталости поверхностно-упрочненных деталей. Вместе с тем в работе уделено внимание снижению материалоемкости поверхностно-упрочненных деталей, методам ускоренного определения характеристик сопротивления усталости поверхностно-упрочненных  деталей, влиянию поверхностного упрочнения на выбор допускаемых изгибных напряжений зубьев и изгибную циклостойкость зубьев колес.

Глава I

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОЧНОСТИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН ПРИ ПЕРЕМЕННЫХ ВО ВРЕМЕНИ НАПРЯЖЕНИЯХ

Многие детали машин работают при многократно изменяющихся во времени напряжениях. К таким деталям относятся валы, оси, зубья  зубчатых передач, штоки поршневых машин и т. д. В качестве примера  рассмотрим ось железнодорожного вагона диаметром d, нагруженную  внешними нагрузками.

В неподвижном состоянии вагона верхние волокна оси испытывают растяжение, а нижние - сжатие. При движении ось вагона вращается с угловой скоростью; волокна оси испытывают знакопеременные  нагрузки.

В таких условиях разрушение деталей становится возможным при  напряжениях значительно меньших допускаемых, когда они (напряжения) неизменны. Совершенно естественно, что при переменных напряжениях методы расчета деталей, в основу которых положены механические  характеристики материалов, полученные при статических испытаниях,  непригодны.

Прочность деталей, испытывающих напряжения, переменные во  времени, обеспечивается расчетом, в основе которого положено  экспериментальное изучение механических свойств материалов при переменных  напряжениях. Расчеты на прочность при переменных напряжениях имеют свою специфику: в данном случае в основу расчетов положен большой статистически обработанный экспериментальный материал, полученный при многократных испытаниях с выявлением различных факторов,  влияющих на циклическую прочность.

1.1. Физические основы усталостной прочности

Прочность материала при напряжениях, переменных во времени,  принято называть усталостной прочностью. Усталостью называют процесс постепенного накопления повреждений материала под действием переменных напряжений, приводящий к образованию и развитию в нем  усталостных трещин, заканчивающемуся разрушением. Источником  образования трещины могут служить как внутренние особенности материала (пустоты, мельчайшие включения, внутренние напряжения и т. д.), так и внешние (дефекты поверхности детали, резкие изменения формы  детали (галтели, выточки их п.)). Причиной образования трещин могут быть и контактные напряжения в местах приложения нагрузок.

Неоднородность строения реальных металлов и связанная с нею  неоднородность деформирования локальных объемов приводят к тому, что даже при малых деформациях отдельные зерна быстро исчерпывают свою возможность к деформированию. Образуются зоны с большим  количеством плоскостей скольжения, соединенных между собой поперечными надрывами. В этих зонах возникают поры, являющиеся источником  микротрещин [78]. Из этого следует, что зоны концентрированного пластического сдвига могут наблюдаться и при относительно малых напряжениях от  внешних нагрузок, меньших предела текучести, а в ряде случаев и предела упругости [55].

Микротрещины, как правило, не влияют на несущую способность  детали, выполненной из пластичного материала, при постоянных нагрузках. Совершенно иначе обстоит дело при напряжениях, переменных во  времени. В этом случае происходит рост микротрещины, возникает процесс накопления повреждений, что неизбежно приводит к постепенному  ослаблению сечения.

Образование микротрещин получает логическое объяснение с позиции теорий структурных несовершенств реальных металлов [19,51]. Согласно одним теориям предполагается, что усталостные  микротрещины возникают в местах высокой концентрации растягивающих  напряжений, вызванной торможением свободно перемещающихся дислокаций у препятствий. Согласно другим теориям микротрещина возникает в  результате пересечения двух плоскостей скольжения, приводящего к  активному генерированию дислокаций и высокой концентрации напряжений.

Согласно некоторым теориям она возникает внутри плоскости  скольжения вследствие скопления дислокаций у препятствий у границ зерен [78]. С ростом внешнего нагружения создаются благоприятные условия для  образования колоний слабых зерен и объединения микротрещин в одну или несколько прогрессивно развивающихся трещин. Впоследствии трещины сливаются в магистральную макротрещину или одна из трещин  опережает в своем росте остальные и превращается в магистральную, по достижении предельной длины которой наступает хрупкое усталостное  разрушение [55].

Процесс, предшествующий разрушению, происходит медленно, но скорость развития повреждений прогрессивно возрастает. Долговечность детали с трещинами в среднем может составлять от 10 до 80 % общей долговечности [58]. Поломка детали происходит внезапно, при весьма малых остаточных деформациях, что делает весьма опасным разрушение.

Поперечное круглое сечение детали, разрушенной от циклических  нагрузок, как правило, имеет две четко очерченные зоны.