Материаловедение. Технология конструкционных материалов: Практикум, страница 3

Долговечность. Долговечность – это способность изделия работать до предельного состояния (невозможности его дальнейшей эксплуатации). Долговечность характеризуется сопротивлением усталости и износу а кроме того – коррозии, ползучести (жаропрочностью), жаростойкостью (окалиностойкостью), сопротивлением эрозии и другим воздействиям на материал. Долговечность может обеспечивается не только выбором стали, в том числе коррозионностойкой, жаропрочной и жаростойкой но также различными способами поверхностного или объемного упрочнения.

В большинстве случаев выход из строя деталей машин связан с двумя видами повреждений: износом и усталостью.

Износостойкость. Сопротивление абразивному износу в значительной мере определяется микроструктурой стали. Для значений твердости выше 50 HRC оптимальной является структура мартенсита отпуска. В связи с чем для деталей, работающих на истирание, целесообразно применять конструкционную сталь после закалки и низкого отпуска. Сравнительно высокая твердость среднеуглеродистой легированной стали после закалки и низкого отпуска (150–250 °С) позволяет применять ее вместо цементуемых сталей и исключить для многих деталей дорогостоящий и продолжительный во времени процесс цементации. Так, в частности, для зубчатых колес используют стали 40Х, 45Х, 50Х после закалки и низкого отпуска; для тяжелонагруженных зубчатых колес неплохие результаты обеспечивает использование хромоникелевых сталей 4ОХН, 45ХН, 5ОХН и хромомарганцовокремнистых сталей ЗОХГСА и З5ХГСА. Изделия из сталей данных марок после низкого отпуска обладают твердостью в поверхностном слое не ниже 50 HRC при достаточных значениях показателей пластичности и ударной вязкости ( = 45%; КСU = 0,4 МДж/м² и более), что во многих случаях позволяет отказаться от применения цементации.

В случае значений твердости ниже 50 HRC оптимальную износостойкость будет иметь сталь, обладающая структурой тростита закалки, приобретаемой либо охлаждением на воздухе с температуры, обеспечивающей структуру аустенита, либо путём изотермической закалки в расплаве солей. Способность стали противостоять абразивному износу понижается с увеличением в её структуре количества остаточного аустенита.

Распространенным видом износа в случае наличия смазочного материала является образование питтинга на поверхности зубьев напряженных зубчатых колес. В целях повышения износостойкости подобные зубчатые колеса часто подвергают цементации на глубину 0,8–1,2 мм с последующим шевингованием, закалкой в масле и низким отпуском, в результате чего значительно повышается их устойчивость к образованию питтинга. Подобные зубчатые колеса при эксплуатации в автомобилях способствуют увеличению пробега до 240000 км.

Износостойкость зубчатых колес также в значительной мере определяется количеством остаточного аустенита в поверхностном слое. При содержании аустенита более 20% износостойкость резко сокращается.

Детали, работающие на износ и подвергающиеся воздействию ударных нагрузок и высоких давлений, могут производиться из износостойких сталей аустенитного класса типа 110Г13Л после закалки в воде без отпуска. В связи с тем, что начало мартенситного превращения подобных сталей находится в области отрицательных температур, после закалочного охлаждения структура остаётся аустенитной, а высокая скорость охлаждения служит цели предотвращения процессов выделения и коагуляции (укрупнения) карбидов, которые могут иметь место при медленном охлаждении.

Другим наиболее важным условием повышения долговечности является обеспечение значительной выносливости (сопротивления усталости).

Выносливость. Под действием циклических напряжений (ниже предела текучести) в металлических материалах постепенно накапливаются повреждения, вызывающие образование трещины и разрушение, поэтому сталь, испытывающая циклические нагружения, должна иметь как необходимую прочность, так и достаточный запас вязкости. Зарождение усталостной трещины происходит на поверхности изделия, испытывающего воздействие циклических знакопеременных напряжений. При одинаковых по модулю значениях растягивающих и сжимающих напряжений (симметричный цикл нагружения) зарождение и распространение усталостной трещины будет вызвано действием растягивающих напряжений, так как значения показателей прочности при растяжении ниже, чем при сжатии. Усталостному разрушению также способствуют растягивающие остаточные напряжения на поверхности изделия, в особенности при наличии концентраторов (дефекты поверхности, неметаллические включения и др.).

 Напротив, в случае наличия на поверхности сжимающих остаточных напряжений действие растягивающих напряжений цикла нагружения соответственно уменьшается и, следовательно, затрудняется образование усталостной трещины. Сжимающие остаточные напряжения в поверхностных слоях стали можно создать наклепом, поверхностной закалкой, химико-термической обработкой (например, азотирование легированных сталей) и прочими способами. Для сталей с малыми и средними значениями показателей прочности предел выносливости  тем выше, чем выше значение . Для термоулучшенных сталей можно использовать эмпирические формулы определения предела выносливости (кгс/мм²) (углеродистые стали) и (легированные стали). Для сталей в высокопрочном состоянии, когда они становятся чувствительными к концентраторам напряжений, значение предела выносливости будет более низким в сравнении с пределом прочности. При назначении режима упрочняющей термической обработки следует учитывать, что устойчивое соотношение между пределом прочности и пределом выносливости наблюдается для термообработанных сталей только в случае твердости ниже 35 HRC.

Значение предела выносливости не будет снижаться для автоматных сталей с добавками до 0,12% серы при содержании фосфора до 0,04%, если твердость после термической обработки не превышает 27 HRC. Сопротивление усталости резко снижается с увеличением количества и размеров неметаллических включений.