Материаловедение. Технология конструкционных материалов: Практикум, страница 4

Сопротивление усталостному разрушению в значительной степени структурно обусловлено. К примеру, предел выносливости эвтектоидной стали значительно понижается в случае наличия в её структуре пластинчатого цементита. Существенное уменьшение сопротивления усталости также вызывает наличие в структуре закаленной стали остаточного аустенита количеством более 10%. Негативное влияние на выносливость оказывает обезуглероживание поверхности даже на незначительную глубину. Сопротивление усталостному разрушению будет определяться также химическим составом стали, термической обработкой, чистотой и состоянием поверхности, способом поверхностного упрочнения, наличием концентраторов напряжений и температурой при которой эксплуатируется изделие.

Выбор марки стали. Прочность стального термоупрочнённого изделия определяется его формой, размером и режимом термической обработки, а размер и в ряде случаев форма изделия в свою очередь определяется прокаливаемостью стали. Полная прокаливаемость стали при одной и той же нагрузке позволяет уменьшить как размеры детали, так и массу конструкции. В то же время стали с пониженной и регламентируемой прокаливаемостью (ПП и РП) создают условия повышения конструктивной прочности и технологичности изделия. Поэтому сталь рекомендуется выбирать в зависимости от прокаливаемости и заданной твердости детали.

Наилучшее сочетание прочности и вязкости может быть обеспечено лишь в том случае, когда твердость стали непосредственно после закалки будет не ниже минимально допустимых значений, что возможно при наличии в структуре закалённой стали не менее 90% мартенсита. Так, для изделий с твердостью после окончательной термической обработки 30–35 HRC необходимо, чтобы твердость до отпуска была не ниже 45 HRC. В случае наличия в структуре 50% мартенсита и 50% тростита закалки предел выносливости уменьшается примерно на 20% и значительно снижается ударная вязкость, особенно при низких температурах, в связи с чем твердость полумартенситной области не может служить надежной мерой прокаливаемости стали. Более надёжно определять прокаливаемость по глубине проникновения закаленного слоя, имеющего структуру 95% мартенсита и 5% тростита закалки. Для этого сначала определяют критический диаметр DК (в центре 50% мартенсита + 50% тростита) стали для данной закалочной среды, а затем D95. Приближенно можно принять, что критический диаметр почти полной (95% мартенсита в центре) прокаливаемости на 25% меньше диаметра, обеспечивающего полумартенситную структуру после закалки в той же среде. В целях надежного обеспечения прочности ответственных деталей, работающих преимущественно на изгиб и кручение, принимается, что закаленный слой со структурой 90% мартенсита и 10% тростита закалки должен находиться на глубине не менее 0,25% диаметра (толщины) детали. Лишь для некоторых изделий, подвергаемых при эксплуатации упругим деформациям с большой амплитудой (пружины, рессоры), или для изделий, работающих в основном на растяжение (шатуны, ответственные болты), необходимо обеспечить после закалки 90% мартенсита в центре заготовки.

Для большинства ответственных деталей (например, в автомобилестроении) изготовляемых из среднеуглеродистых (0,3–0,5% С) сталей, оптимальной является твердость после закалки (до отпуска) 45 HRC на расстоянии 25% диаметра от поверхности детали (полуоси, поворотные кулаки и др.). Торсионные валы и рессоры должны прокаливаться насквозь и иметь после закалки в сердцевине изделия твёрдость не ниже 52-55 HRC.

В случае изделия диаметром 25 мм твердость 45 HRC на расстоянии от поверхности, соответствующем 25% диаметра можно обеспечить закалкой в минеральном масле таких сталей, как 40Г2, ЗОХМ, 40Х. Варьируя, закалочные среды, можно выбрать и другие стали. Выбор той или иной стали также зависит от сечения изделия.

Для решения задачи обеспечения оптимального сочетания прочности и вязкости наиболее желательна сталь с невысоким содержанием углерода, например ЗОХМ, так как после закалки на 45 HRC в структуре данной стали будет находиться не менее 85% мартенсита, в то время как стали 40Г2 и 40Х после закалки до твердости 45 HRC будут содержать в структуре лишь 70% мартенсита. Также стали с более низким содержанием углерода менее подвержены деформации и растрескиванию в ходе термической обработки.

 В случае если деталь испытывает растягивающие или сжимающие напряжения, равномерно распределенные по сечению, закалка должна обеспечить сквозную прокаливаемость, и выбирать следует сталь, критический диаметр которой при закалке в данной среде будет не менее чем диаметр (толщина) закаливаемой детали. В случае если деталь в процессе эксплуатации подвержена напряжениям изгиба или кручения, её сердцевина не подвергается воздействию напряжений в связи с чем сквозная прокаливаемость не будет иметь определяющего значения и в данных условиях закаленный слой со структурой 90% мартенсита и 10% тростита закалки должен располагаться на глубине 0,25% диаметра (толщины) детали. В случае сложнонапряженного состояния (к примеру, сочетание растяжения с изгибом или кручением) сердцевина детали может испытывать существенные напряжения и выбранная сталь должна обладать достаточной прокаливаемостью. Когда осуществляется выбор марки стали, необходимо обращать внимание на размеры сечения изделия. В случае больших сечений требуется повышенная прокаливаемость, а, следовательно, и степень легирования стали.

При выборе стали и режима термической обработки следует учитывать возможную отпускную хрупкость. В случае небольших сечений детали охрупчивание в результате медленного охлаждения с температуры высокого отпуска, которому подвержены стали, легированные хромом, марганцем, никелем и кремнием можно предотвратить более быстрым охлаждением, например, в минеральном масле. Для деталей значительных размеров, подвергаемых улучшению (закалка и высокий отпуск), необходимо выбирать конструкционные стали, легированные молибденом или вольфрамом, подавляющими обратимую отпускную хрупкость.