Выбор марки стали по глубине закалённого слоя

Недостаток метода выбора марки стали по критическому диа­метру прокаливаемости (с полумартенситной структурой в цент­ре изделия) состоит в том, что свойства полумартенситной струк­туры зависят от содержания углерода; кроме того, в полумартен­ситной зоне вместо 50 % троостита присутствует смесь троостита, феррита и перлита в различных сочетаниях, что может приводить к существенной нестабильности свойств по сечению детали.

Если детали работают на изгиб или кручение, то сквозная прокаливаемость не обязательна, так как в этих условиях напряжения распределяются неравномерно, достигая максимальных значений на поверхности детали. Состав сталей, подвергаемых поверхностному упрочнению, должен обеспечивать требуемую прокаливаемость поверхностного слоя при сохранении вязкой и пластичной сердцевины. Поверхностный слой после закалки должен иметь структуру отпущенного мартенсита и не содержать продуктов промежуточного превращения переохлажденного аустенита.

Более стабильные свойства обеспечивает выбор стали по её способности получать заданную твёрдость на определенной глу­бине. При этом следует учитывать, что легирование даёт возмож­ность закаливать изделия больших сечений и вести охлаждение с меньшей скоростью, что снижает опасность появления закалоч­ных дефектов.

Для выбора стали по глубине закалённого слоя необходимо иметь данные о твёрдости на разных расстояниях. На рис. 2.6 показана связь эквивалентных скоростей охлаждения различных точек стан­дартного образца для торцевой закалки и прутков различного ди­аметра, закалённых в воде (рис. 2.6, а) и масле
(рис. 2.6, б), а также плиты, закалённой в масле (рис. 2.6, в).

Рис. 2.6. Соотношения скоростей охлаждения и эквивалентного рас­стояния l_экв для разных
точек стандартного образца для торцовой закал­ки и закалённых изделий в виде прутков
диаметром d (а, б) и плит толщиной s (в):

а – охлаждение в воде; б, в – охлаждение в масле; 1 – на поверхности; 2 – на расстоянии 0,75R от центра (R – радиус прутка); 3 — на расстоянии 0,5 R от центра; 4 – в центре;
5 – на расстоянии от поверхности 1/4 толщины плиты; 6 – на расстоянии от поверхности 1/16 толщины плиты (Г.И. Сильман)

При выборе марки стали важно знать концентрацию углерода и количество мартенсита, при которых обеспечивается желаемая твёр­дость стали в закалённом и отпущенном состояниях. Связь между твёрдостью сталей в этих состояниях показана на рис. 2.7, а, а зависимость твёрдости закаленной стали от содержания в ней уг­лерода и количества мартенсита – на рис. 2.7, б. Практика по­казывает, что следует выбирать такие стали, у которых минималь­ную рекомендуемую твёрдость в закалённом состоянии получают при содержании мартенсита, меньшем 90 %. У деталей, работаю­щих на изгиб, структура, содержащая более 90 % мартенсита, дол­жна распространяться от поверхности на глубину, равную при­мерно 0,25R (где R – расстояние от поверхности до центральной части изделия). Для таких деталей, как шатуны, коленчатые валы, шарниры рулевого управления, болты шатунов, осевые валы, зуб­чатые колёса и т.п., приемлема закалка, в результате которой на расстоянии 0,25R образуется около 80 % мартенсита. Если же у деталей, работающих на изгиб, наружные слои нагружены слабо, то достаточна ещё меньшая глубина закалки. При закалке болтов и других подобных деталей, работающих на растяжение, целесо­образно получать в центре структуру, содержащую 60¸90 % мар­тенсита. К деталям, требующим сквозной прокаливаемости (не менее 90 % мартенсита в центре сечения), относят пружины

Рис. 2.7. Связь между твёрдостью сталей в закалённом Н_зак и отпущен­ном Н_отп состояниях (а)
 и между твёрдостью стали и количеством мар­тенсита М в её структуре (б):

Н_min — минимальная твёрдость закаленной стали; 1, 2, 3, 4, 5 и 6 — зависимости
соответственно для сталей с содержанием углерода, %: 0,50; 0,45; 0,40; 0,35; 0,30; 0,20

Во всех случаях выбора стали нужно стремиться к использова­нию менее легированной (более дешёвой) стали. При этом необ­ходимо также учитывать следующее:

· высокоуглеродистые стали склонны к повышенной хрупкос­ти при нормальных и отрицательных температурах;

· повышенное содержание углерода увеличивает твёрдость ста­ли, затрудняя её обрабатываемость, повышает склонность стали к образованию трещин и изменению размеров при термической обработке. Поэтому чаще всего используют стали, содержащие менее 0,5 % С.

Требования по прокаливаемости в конструкторской или тех­нологической документации задают в соответствии с ГОСТ 5657–69 одним из следующих способов (рис. 2.8):

- по минимальной твёрдости на определённом расстоянии от охлаждаемого водой торца (при торцевой закалке); это требование записывается как , например, для точки 1′ ;

- по максимальной твёрдости на определенном расстоянии, например,  – для точки 1;

- по минимальной и максимальной твёрдости на заданном расстоянии, например, для точек 1′ и 1 – это ;

- по минимальному и максимальному расстоянию от охлажда­емого торца образца до сечения с определённой твёрдостью, эк­вивалентной твёрдости сечения изделия, интересующего конст­руктора; для точек 2' и 2 это требование записывается следующим образом:

- по максимальной твёрдости на разных расстояниях от торца, например,  и  соответственно для точек 1 и 2.

 

Рис. 2.8. Способы задания требований по прокаливаемости (по полосе прокаливаемочти):
1 – расстояние от торца образца; 1 и 1´– максимальное и минимальное значения твёрдости на заданном расстоянии; 2 и 2´ – максимальное и минимальное расстояние с заданной
твёрдостью

Располагая данными о прокаливаемости сталей, можно обес­печить изготовление изделий, обладающих наилучшим комплек­сом эксплуатационных свойств. В настоящее время эксперимен­тально построены полосы или графики прокаливаемости для боль­шинства применяемых марок сталей.

Рассмотрим на примере выбор марки стали по глубине зака­лённого слоя. Выберем сталь для изготовления осевого вала двига­теля, имеющего диаметр
45 мм и длину 192 мм и работающего при воздействии максимальных напряжений кручения 180 МПа и изгиба 540 МПа. Видно, что основной вклад в напряжённое со­стояние вносят напряжения сдвига, возникающие при изгибе. Эти напряжения максимальны в поверхностной зоне вала и равны нулю на оси вала. Поэтому сквозная закалка вала необязательна и даже нежелательна, так как увеличивает возможность появления зака­лочных дефектов.

Рассматриваемый вал работает в условиях знакопеременных нагрузок при симметричном цикле. Поэтому по напряжению из­гиба (540 МПа), используя рис. 2.9, а, находим, что вал должен быть термически обработан на твёрдость не ниже 36 НRС.

 

Рис.2.9. Способы оценки предела выносливости s_-1 сталей по другим механическим свойствам:

а – оценка s_-1 по твердости для среднеуглеродистых легированных сталей, подвергнутых закалке и отпуску; б – оценка s_-1 по твердости для сталей 40ХН (1) и 20Х2Н4А (2); в – оценка отношения предела выносливости к временному сопротивлению s_-1/s_В в зависимости от содержания углерода для углеродистых сталей (І), легированных сталей, содержащих до 4% легирующих элементов (ІІ), и легированных сталей, содержащих не менее 5% легирующих элементов (ІІІ); заштрихованные области – поля точек с известными экспериментально определенными значениями

 

 

Из рис. 2.7 определяем минимальную твёрдость стали в зака­лённом состоянии (47 НRС) и минимальное количество мартен­сита в её структуре. Для стали, содержащей не менее 0,35 % С, количество мартенсита после закалки должно составлять не менее 85 %. Эти характеристики должны относиться к зоне, расположенной от поверхности вала на глубину примерно 0,25R, что со­ответствует расстоянию от закаливаемого торца стандартного об­разца для торцевой закалки
h ≥ 10 мм (см. рис. 2.7, б). При этом полагаем, что сталь легированная.

По полосам прокаливаемости выбираем марку стали, для которой минмальная прокаливаемость выражается определёнными ранее характеристиками,
т. е.  . Такой прокаливаемостью обладает сталь 38ХС. Используя графики рис. 2.7, б и полосы прокаливаемости стали, находим, что твёрдость стали после закалки будет меняться по сечению вала от 49 – 58 НRС на поверхности
до 40 – 52 НRС в сердцевине вала. Видно, что если прокаливаемость стали 38ХС максимальна, то даже в сердцевине вала количество мартенсита будет превышать 90 %, что нежелательно, так как при завышенной прочности ударная вязкость и пластичность стали могут оказаться недостаточными. Поэтому целесообразно ввести для выбранной марки стали ограничение и по максимальной прокаливаемости, например,  , что должно гарантировать оптимальную структуру закалённой стали.

2.5.4. Выбор марки стали для деталей, работающих в условия
усталостного нагружения

Характеристика твёрдости еще не дает полного представления о служебных свойствах детали. Известно, что 80 % всех разруше­ний имеет усталостный характер. Сопротивление металлических материалов усталости определяется пределом выносливости. Рез­кое влияние на предел выносливости оказывают дефекты поверх­ности. По сравнению с полированными образцами стали предел выносливости шлифованных образцов ниже на 10 – 15 %, а фрезерованных –
на 45 – 50 %. С увеличением размера детали предел вы­носливости уменьшается («масштабный фактор»).

В справочной литературе приводят данные о пределе выносли­вости для ограниченного числа марок сталей. Значительно больше данных по другим свойствам – твёрдости и пределу прочности. В связи с этим при оценке усталостной прочности целесообразно использовать зависимости между пределом выносливости, с од­ной стороны, и твёрдостью или пределом статической прочности (временным сопротивлением разрыву), с другой стороны. Непло­хая корреляция в ряде случаев наблюдается между пределом вы­носливости и твёрдостью. Например, для углеродистых сталей σ_-1 = 1,26 – 1,53 НВ, для легированных сталей σ_-1 = 1,64 – 2,17 НВ. Однако эти зависимости имеют частный характер и не распрост­раняются на высокопрочные стали.

Для среднеуглеродистых легированных термообработанных ста­лей между пределом  выносливости  и  твёрдостью  установлена  бо­лее  сложная зависимость. Из рис. 2.9, а видно, что корреляция между обеими характеристиками выдерживается лишь до 36 – 37 HRС. При более высокой твёрдости резко увеличивается область раз­броса значений предела выносливости, причём минимальные их значения оказываются почти не зависящими от твёрдости. Поэто­му по значениям твёрдости можно с достаточной точностью про­водить оценку минимальных значений предела выносливости лишь для сталей с твёрдостью менее 40 HRС. Более достоверны данные по соотношениям между пределом выносливости и твёрдостью для конкретных марок сталей (рис. 2.9, б).

Установлены также зависимости между пределом выносливо­сти и пределом статической прочности. Например, для сталей σ_-1 = (0,4 – 0,6)σ_в. Однако имеются данные и о значительном влиянии химического состава стали на эту зависимость. На рис. 2.9, в приведены зависимости, полученные Г.И. Сильманом при обработке большого числа экспериментальных данных для углеродистых и легированных сталей. Видно, что при малом содержании углерода
(менее 0,15 %) значение отношения σ_-1/σ_в уменьшается, особенно для легированных сталей. Значительное влияние оказывает и сте­пень легирования. В целом характеристики выносливости менее чувствительны к структурным изменениям, вызываемым терми­ческой обработкой и изменениями в составе стали, чем многие другие механические свойства. Вместе с тем из рис. 2.9, в видно, что для обеспечения достаточно высоких значений усталостной прочности необходимо иметь в стали достаточное содержание уг­лерода (не менее 0,12 %). Особенно важно это для легированных сталей, у которых статическая прочность повышена за счет леги­рования. Следует учитывать, что это повышение не коррелирует с изменением предела выносливости. Поэтому оценку предела  вы­носливости  целесообразно  вести  по  зависимостям, приведённым  на рис. 2.9, в.

⇐ Предыдущая567891011121314Следующая ⇒

Поделиться: