Инженерия поверхностей деталей машин с позиции их сопротивления уста-лости

Размещено на http://www.allbest.ru/

Инженерия поверхностей деталей машин с позиции их сопротивления усталости

Технология, инструменты и оборудование машиностроительных производств

А.В. Тотай

Рассматривается влияние технологии изготовления деталей машин на плотность дислокаций металла поверхностного слоя и сопротивление усталости.

Стойкость конструкционных материалов против усталостного разрушения является одним из важнейших факторов, влияющих на надежность и долговечность машин. Явление усталостного разрушения деталей связано с пластической деформацией, при которой происходит реализация различных механизмов взаимодействия дислокаций, скопление вакансий и зарождение усталостной трещины.

Многочисленные теоретические и экспериментальные исследования убедительно свидетельствуют о зарождении усталостных трещин в поверхностном слое и о первостепенном влиянии физических параметров состояния металла поверхностного слоя на условия их зарождения и скорость роста. Достаточно глубоко изучено влияние микрогеометрии поверхности, наклепа и технологических остаточных напряжений на усталостную прочность, разработаны рекомендации по технологическому обеспечению этих параметров.

Однако решать данную проблему на современном этапе лишь средствами механики сплошных сред - значит не использовать больших резервов в повышении сопротивления усталости деталей машин. Речь идет о доказанном доминирующем влиянии на предел выносливости такого физического параметра, как плотность дислокаций [1]. Установлено, что усталостные трещины в структуре металла зарождаются при плотности дислокаций 1010 см-2 (при исходной плотности 108 см-2). Но плотность дислокаций порядка 108 см-2 наблюдается обычно только у отожженных сталей, которые редко являются ответственными элементами конструкций, что подтверждает мысль о необходимости исследования этого параметра после различных технологических операций.

Из теории пластических деформаций металлов известно соотношение Д. Тейлора:

, (1)

где: у - действующее напряжение; G - модуль сдвига; b - вектор Бюргерса; с - плотность дислокаций.

Из выражения (1)

. (2)

Очевидно, что до разрушения поликристаллического материала, или, другими словами, до достижения определенного критического значения плотности дислокаций, эти дефекты в поверхностном слое накапливаются на протяжении трех стадий: металлургическо-термической, технологической и эксплуатационной. Следовательно,

.

Введя в уравнение (2) вместо модуля сдвига модуль упругости Е из соотношения

G = Е / 2 (1 + м), где м - коэффициент Пуассона, а также коэффициент ш [2,3], учитывающий температуру и скорость деформации металла поверхностного слоя, получим

. (3)

Здесь утх, уэ - технологические и эксплуатационные напряжения с соответствующими коэффициентами; N - число циклов действия напряжений в процессе эксплуатации.

Из уравнения (3) можно определить число циклов N до разрушения:

.

Обозначив через щ = const (для данного материала), получим

.

Величину критической плотности дислокаций с достаточной для практических задач точностью можно рассчитывать по зависимости [4]

,

где уb - предел прочности; кс = 0,5...0,7.

Приведенные теоретические положения показывают, что в увеличении циклической прочности конструкционных материалов значительную роль может сыграть технология обработки деталей машин. Но этот резерв возможно использовать в полной мере лишь при наличии широкой базы данных по технологическому обеспечению плотности дислокаций металла поверхностного слоя при различных методах и режимах обработки.

Для формирования такой базы данных были проведены экспериментальные исследования наиболее распространенных способов финишной обработки деталей машин.

Плотность дислокаций определялась по методике, предложенной Е.В. Панченко 5.

В табл. 1 приведен фрагмент базы данных технологических возможностей некоторых финишных методов обработки закаленных конструкционных и легированных сталей. По этим данным наглядно видна роль технологии в формировании такого параметра, как плотность дислокаций.

Значительный интерес представляет статистическая связь между величиной плотности дислокаций и поверхностной микротвердостью, степенью наклепа и поверхностными технологическими остаточными напряжениями. Коэффициенты парной корреляции между указанными параметрами приведены в табл. 2. металл сопротивление усталость

Анализ этих данных показывает очень тесную корреляционную связь величины плотности дислокаций с параметрами, характеризующими пластическую деформацию металла поверхностного слоя, и практически полное ее отсутствие с параметром уо, определяющим обратимые деформации.

Таблица 1

Фрагмент базы данных технологических возможностей некоторых финишных методов обработки

Таблица 2

Коэффициенты парной корреляции между физическими параметрами поверхностного слоя

* Через черточки даны коэффициенты для точения, круглого шлифования и алмазного выглаживания.

Наиболее наглядную картину влияния плотности дислокаций можно рассмотреть на примере алмазного выглаживания (рисунок).

Из приведенного графика видно, что с увеличением плотности дислокаций металла поверхностного слоя приблизительно до 0,9·1012 предел выносливости при усталостном разрушении монотонно увеличивается. Это объясняется достаточным запасом пластичности для развития внутри зерна нераспространяющихся усталостных трещин. Ближе к плотности дислокаций 1012 и более запас пластичности исчерпывается, и металл входит в режим хрупкого разрушения.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Несмотря на доказанную высокую информативность величины плотности дислокаций при оценке усталостной прочности, в целом ряде случаев ее нельзя рассматривать в отрыве от других параметров состояния поверхностного слоя, прежде всего таких, как размер зерна металла и радиус впадин микронеровностей.

Другими словами, научный подход к проблеме технологического обеспечения усталостной прочности должен носить комплексный характер как при теоретических, так и при экспериментальных исследованиях.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Иванова, B.C. Разрушение металлов / В.С. Иванова. - М.: Металлургия, 1979.-168с.

2. Тотай, А.В. Технологическое обеспечение физических и эксплуатационных свойств поверхностных слоев деталей машин / А.В. Тотай // Трение и износ. - 1997. - № 3. - Т. 18. - С. 385-394.

3. Тотай, А.В. Технологическое управление усталостной прочностью при лезвийных методах обработки / А.В. Тотай // Изв. вузов. Машиностроение. - 1990. - №5. - С. 133-136.

4. Партон, В.З. Механика упругопластического разрушения / В.З. Партон, Е.М. Морозов. - М.: Наука, 1985. - 504с.

5. Лаборатория металлографии /под ред. Б.Г. Лившица.-М.: Металлургия, 1965. - 439с.

Размещено на Allbest.ru