Способ упрочнения деталей

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 733220 А 5 В 24 В 39 /О ГОСУДАРСТВЕННЬПО ИЗОБРЕТЕНИПРИ ГКНТ СССР ОМИТЕТОТКРЫТИЯМ И Т ОП 4РЬ К к машиностроевано при проекской прочности ых упрочнению им деформироовиях переменвремя способы рочнение детанием результаПри этом пытаний на выного материала. тные в настояще осуществлять у н с прогнозиров го упрочнени тся результаты и ь образцов из да Извес позволя ют лей маши то в это использую носливост ИЕ ИЗОБР СКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(56) Авторское свидетельство СССРйй 1400862, кл, В 24 В 39/00, 1985.(54) СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ(57) Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при проектировании и оценке циклической прочностидеталей машин, подвергаемых упрочнениюповерхностным пластическим деформированием и работающим в условиях переменных нагрузок. Цель изобретенияповышение эффективности упрочнения засчет получения максимального предела усталости. Для серии деталей предварительноопределяют истинное сопротивление разрыву и исходный предел усталости неупрочненного материала детали. затемобрабатывают их поверхностным пластическим деформированием с разной степенью Изобретение относится нию и может быть использо тировании и оценке цикличе деталей машин, подвергаем поверхностным пластическ ванием и работающих в усл ных нагрузок. деформации и определяют для каждои серии глубину пластически деформированного слоя. Затем для определения оптимальных режимов упрочнения находят интенсивность деформации поверхност го слоя каждой серии деталей, строят ди рамму истинных напряжений материала и определяют по полученной интенсивности деформаций интенсивность напряжений. Кроме того, дополнительно осуществляют упрочнение двух серий образцов на разных режимах и определяют для них глубину пластически деформированного слоя и интенсивности деформаций на свободной поверхности, После этого испытывают образцы каждой серии на выносливость, определяя пределы усталости, и вычисляют безразмерные коэффициенты по математическим выражениям, Для оценки оптимальности режимов упрочнения рассчитываются для каждого режима предел усталости по полученному математическому выражению.1 табл,Наиболее близкий к предлагаемому по технической сущности способ упрочнения не позволяет заранее оценить величину предела усталости детали, подвергнутой поверхностному пластическому деформированию как при оптимальных, так и при всех возможных промежуточных режимах. Кроме того. недостатком этого способа является то. что он оперирует не непосредственно с интенсивностью деформации поверхностного слоя детали Р .0. а с многочисленными определяющими ее первичными факторами: Р или Ьэ/й, Од, Од.г: между тем, только йо и глубина пластически деформированно10 15 20 55 го еяоя Ьз/В определяют эффективность упрочнения детали поверхностным пластическим деформированием, и поэтому именно они должны одновременно и непосредственно учитываться при прогнозировании ее и редела усталости.Цель изобретения - повышение эффективности упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием за счет увеличения и более полного использования резерва или контролируемого регулирования их усталостной прочности, что достигается благодаря возможности прогнозирования значения предела усталости детали, подлежащей поверхностному упрочнению, и целесообразного управления этой величиной.Поставленная цель достигается тем, что известными способами определяют глубину Ьз/В пластически деформированного слоя и интенсивность деформации г ь на его свободной поверхности, отвечающие заданному режиму упрочнения детали. предел усталости о.у которой в упрочненном состоянии требуется прогнозировать, путем стандартных испытаний на выносливость и на растяжение образцов, изготовленных из . неупрочненного материала детали, определяют исходный предел усталости гт -1 и истинное сопротивление разрыву Як и строят диаграмму истинных напряжений (диаграмму деформирования) а; (я ) по которой определяют интенсивность напряжений а,о, отвечающую найденной ранее интенсивности деформации г",о,а прогнозируемый предел усталости детали, подвергнутой упрочнению го заданному режиму, определяют по формуле о - 1 у - 1 (1+ к 1 ь,./в + кг г , о ) "1 - Г,ГКЬ 2(+(1-".-) -З)13 ЗК 1 - Ь 7 Р " ВЬв 7 Р (1:Ь,7 р ) 1)(1) где о- исходный предел усталости материала детали;Ьз/В и г.; о - ожидаемые глубина пластически деформированного слоя и интенсивность деформации на его свободной поверхности, отвечающие данному режиму упрочнения детали;е,о и Як - интенсивность напряжений. отвечающая интенсивности деформации, и истинное сопротивление разрыву для материала детали;В - радиус поперечного сечения детали; К 1 и К 2 - безразмерные эмпирические коэффициенты. 25 30 35 40 45 50 Способ применим во всех случаях, когдаинтенсивность деформации к о на поверхности упрочненной детали не превышает предельной равномерной деформации вр при растяжении, то есть в той области деформации е 1 оя р, которая является допустимой. при упрочнении деталей поверхностным пластическим деформированием,Сущность предлагаемого способа состоит в следующем,Как известно, в деталях, подвергнутых поверхностному упрочнению, первичный очаг усталостного разрушения зарождается на внутренней границе пластически деформированного слоя, отстоящей от свободной поверхности детали (образца). В процессе дальнейшего нагружения трещина, являясь острым концентратором. распространяется (теперь уже независимо от прочности поверхностного слоя) к наружной поверхности и вглубь детали и в конце концов приводит к ее полному разрушению. Это значит, что предел усталости упрочненной детали опре- ДЕЛЯЕтСЯ ПРЕДЕЛОМ УСтаЛОСтИ О,с МатЕРИала. находящегося около указанной внутренней границы слоя, В свою очередь, ВЕЛИЧИНа О,с ОПРЕДЕЛЯЕТСЯ КаК ИСХОДНЫМ пределом усталости о, так и влиянием упрочненного слоя, а именно его глубиной 6/В и интенсивностью деформации г;,О чем больше Ьз/В и я о, тем выше сопротивление подслойного материала зарождению и росту усталостной трещины, т,е, тем больше о,с. Так как пРи отсУтствии УпРочНЕННОГО СЛОЯ О,с = Гт, тО, ПРИНЯВ В ПЕР- вом приближениигт - 1,у = (7- 1(1 + К 1 пз/В + К 2 Г 1, о)(2) предел усталости упрочненной детали вычисляют по формуле (1),Существенное отличие предлагаемого способа от известных состоит в том, что, включая предусмотренные ими стандартные испытания образцов на растяжение и выносливость с определением соответственно истинного сопротивления разрыву Як и исходного предела усталости неупрочненных образцов, изготовленных из материала детали, предел усталости которой в упрочненном состоянии требуется прогнозировать, и определение ожидаеглой глубины пз/В наклепанного слоя, который должен образоваться у поверхности той же детали, если ее подвергнуть поверхностному пластическому деформированию по заданному режиму, он, крометого, требует выполнения следующих операций; изготовление двух вспомогательных серий образцов, их поверхностного пластического деформирования,которое осуществляется по различным режимам (с разными рабочими нагрузками и разными диаметрами обрабатывающего инструмента): определение для образцов каждой серии глубины пластически деформированного слоя и интенсивности деформации на его свободной поверхности, испытания образцов каждой серии на выносливость и определение по результатам этих испытаний значений эмпирических коэффициентов К 1 и Кг, применяемых в дальнейшем при прогнозировании по формуле (1) предела усталости детали, которую предполагается подвергнуть пластическому упрочнению по заданному режиму, и изготовленной иэ любого материала того класса (стали, цветные сплавы), к которому относится материал вспомогательных образцов (для случая обкатки стальных деталей К = 1 и К = 2); определение известным способом ожидаемой интенсивности деформации е 1,0, которая будет получена в результате упрочнения (по заданному режиму) детали с прогнозируемым пределом усталости о,у стандартные испытания на растяжение образца, изготовленного из неупрочненного материала детали, с построением диаграммы истинных напряжений о( О) и определение по ней интенсивности напряжений о;,О, отвечающей найденному ранее значению я ,0Благодаря указанным дополнительным действиям предлагаемый способ позволяет прогнозировать предел усталости деталей, различных по абсолютным размерам, изготовленных из разных материалов данного класса, например иэ сталей, и упрочняемых по различным режимам, пользуясь результатами испытаний лишь двух вспомогательных серий образцов одного диаметра: кроме того, предлагаемый способ учитывает большее, чем известные, число факторов, влияющих на уровень прогнозируемого предела усталости детали (такими дополнительными факторами являются интенсивность деформации я; на упрочненной поверхности и отвечающая их интенсивность напряжения о ,0).Все это делает предлагаемый способ более надежным, экономичным и удобным, чем известные.Способ осуществляется следующим образом,Известным способом определяют ожидаемые глубину наклепанного слоя Ьз/В и интенсивность деформации я ,на его свободной поверхности, отвечающие упрочнению по заданному режиму детали, предел усталости 0-1,У которой в упрочненном со ролик с заданным диаметром Ор и профиль 10 ным радиусом г или шарик диаметром Ош при этом ролик или шарик должен занимать 20 25 30 35 40 45 стоянии требуется прогнозировать. Один из таких способов состоит в том, что иэ неупрочненного материала детали изготавливают цилиндрический брусок с диаметром, равным диаметру детали Од = 2 Я; по нормали к цилиндрической поверхности бруска заданной рабочей нагрузкой вдавливают такое же положение относительно продольной оси бруска, какое он будет занимать в процессе обкатки относительно продольной оси детали); затем по распределению твердости под остаточным отпечатком, образовавшимся на поверхности бруска, определяют глубину слоя пз/й, а интенсивность деформации е , 0 находят из соотношения еа=1,41 а" - а -- а Ь или ао:О +Од 2 . Ош + ОьГа О Оа,где а и Ь - полуоси остаточной вмятины, которая образуется на поверхности упрочняемой детали при однократном внедрении в нее ролика или шарика статистической силой, равной рабочей нагрузке Р,Далее путем стандартных испытаний на выносливость и растяжение образцов, изготовленных из неупрочненного материала детали, определяют ее исходный предел усталости о- и истинное сопротивление разрыву Як, а также строят диаграмму истинных напряжений о (я; ) по которой определяют интенсивность напряжений (т;,0, отвечающую найденной ранее интенсивности деформации е ,0 а прогнозируемый предел усталости детали, подвергнутой упрочнению по заданному режиму, определяют по формуле О - 10 - 1,у (1 + К 1 Ь/й + Кг Е , 0 )1 - Ьь К,га (+( -- ) - з)П р и м е р, Путем стандартных испытаний на растяжение образцов из сталей марок 45 и 40 Х определили истинное сопротивление разрыву Як и построили диаграммы истинных напряжений й (д ), Из тех же сталей изготовили 12 и 10 соответственно серий образцов для испытаний на усталость, Образцы одной серии из каждого материала подвергли усталостным испытаниям в неупрочненном состоянии и опреде 1733220лили для них значения исходного предела усталости о-. Образцы остальных серий подвергли обкатке шариками (сталь 45) или роликами (сталь 40 Х) при разных для каждой серии значениях рабочей нагрузки Р, диаметра шарика Ош или профильного радиуса ролика г и последующему испытанию на выносливость с определением пределов усталости о-,у образцов, упрочненных по разным режимам. Кроме того, на одном из упрочненных образцов каждой серии известными способами определили глубину наклепанного слоя Ьэ/Я и интенсивность деформации яЗатем по приведенной выше формуле (1) нашли расчетные значения о,у для образцов каждой серии и сопоставили их с величинами, полученными экспериментальным путем. Аналогичным образом были сопоставлены с расчетом по формуле (1) и экспериментальные данные, опубликованные в литературе другими авторами. Результаты такого сопоставления приведены в таблице, из которой видно, что значения пределов усталости образцов, подвергнутых поверхностному пластическому деформированию, найденные путем стандартных испытаний на усталость, лишь в трех случаях из тридцати отличаются от определяемых по предлагаемому способу на 7 - 9 , а в остальных случаях эта разница меньше и в основном не превышает 5 ,Этим подтверждается, что предлагаемый способ позволяет с точностью, по крайней мере, до 10(находящийся в пределах неизбежного рассеивания результатов усталостных испытаний) прогнозировать пределы усталости деталей различного диаметра (от 5 до 180 мм), изготовленных из различных материалов (сталей) и подвергнутых поверхностному пластическому деформированию,Одновременно данные, содержащиеся в таблице, указывают на то, что используемые в предлагаемом способе безразмерные коэффициенты упрочнения, определяемые по результатам испытания на усталость стандартных образцов диаметром 10 мм из одной марки стали (в данном случае из стали 45), сохраняют свои значения для других углеродистых и легированных сталей (марок 40,40 Х,34 НЗМ,50 С 2 Г), а также для армкожелеза в широком интервале диаметров детали (от 5 до 180 мм),Формула изобретения Способ упрочнения деталей, при котором предварительно определяют истинное сопротивление разрыву и исходный предел усталости неупрочнен ного материала. детали, затем обрабатывают поверхностным пластическим деформированием серии де 5 талей с разной степенью деформации и определяют для каждой серии глубину пластически деформированного слоя, а по результатам испытаний определяют оптимальные режимы обработки с последующим10 упрочнением,отличающийся тем,что,с целью повышения эффективности упрочнения за счет получения максимального предела усталости, перед определением режимов упрочнения находят интенсивность15 деформации поверхностного слоя каждойсерии деталей, строят диаграмму истинных напряжений их материала и определяют интенсивность напряжений, соответствующую полученной интенсивности20 деформации, дополнительно осуществляютупрочнение двух серий образцов на разных режимах, определяют для образцов каждой серии глубину пластически деформирован.ного слоя иэ/В и и"зЯ и интенсивности25 деформации на их свободной поверхностия и е"; испытывают образцы каждой серии на выносливость, определяя пределы усталости 0 -1,у и 0 -1,у, и вычисляют безразмерные коэффициенты из выражений130сг-с,у - о -- Кг О -илК11о -ЯЛО - ,- 101 УЬ 868+К -О - 1 1 з Ьз35 К 2бо - бо Ьз /Ьзллпосле чего рассчитывают предел усталости по формуле40 О - 1 у (1 + К 1 йз/В + К 2 Е 1, 0 ) "-я,гзБ И-ьй) )45где о -1 - исходный предел усталости материала детали, МПа;Ьз ия ,- глубина пластически деформированного слоя и интенсивность дефор 50 мации на его свободной поверхности,соответствующие заданному режиму упрочнения;0 1,о - интенсивность напряжений, соответствующая интенсивности деформаций,55 МПа;Як - истинное сопротивление разрывуматериала детали, МПа,9 1733220 10 Сопоставление расчетных (6, расч.) и экспериментальных (6.ь) значенийпредела усталости образцов, йодвергнутых поверхностному пластическомудеформированию Ф т Еа Г1 пзВ Е;р м а тема ю евт66-4"-Ч Рвсч"г"ч" ОпытРасчет -(, очитн 2 К ОР, ь г Р, Н аль 45: Зк1190 МПа; 6 = 500 МПа; Ер = 0,12 ЗО 0,12 О, 850 280 355 377 1,Об340 0,14380 383 1,О490 017 390 386 0,99240 0,090,1 850 270 330 3531,07550 0,13 357 365 1,02720 . 0,15 370 367 0,991650 0,23 365 375 1,03265 0,07 0,1 850 260 310 336 1,08590 0,11 320 349 1,091060 0,1.5 365 356 01981820 019 355 361 , 1,02Сталь 40 Х;6 = 883 МПа: Б к = 1538 МПа; Ер = 0,0656,0 1400 О,5 0,03 1023 4365,0 0,04 10503,5 0,06 1,901,12 450 0,09 0,065 1090 4361 8 725 О 112,20 880 0,123)5 1400 0154,0 1620 0,167 э 5 3000 0122Армко-железо: 6 = 265 МПа: Б = 833 МПа: Е = 0,195,0 - 0,057 0,06 4 ч 1 186 235 2235,0 - 0,114 0,15 502 255 240Сталь 40; 6= 274 МПа: Як = 931 МПай Яю 0,152,5 8820 0,03 0,16 6664 196 269,5 272 . 1,01Сталь 45: (Зв" 382 МПа; Я к = 1050 МПа; ЕР = 0,123,0 392 0,2 0,065 676 304 407 4106,0 1470 284 363 38318,0 1412 225 294 304Сталь 34 ХНЗМ (нормализация); 6549 МПа; Як1230 МПа: Е0,095,0 980 0,16 0,05 832 358 4364593,0 1470 0,10 0,07 853 348 446 440Сталь 34 ХНЗМ (закалка и отпуск); С.842 МПа: Б1548 МПа 1 Гр05,0 980 0,12 0,04 1000 426 534 524Сталь 50 С 2 Г (закалка и отпуск); 8 1080 МПа 3 к1890 МПа;05,0 1568 0,154 0,0 ч 298 477 . 612,5 601 Ст 7,5 3,154,05,045,05,9510,03,155,07,1510,0 10 12,5 544 541 54 ч 545 555 558 544 539 544 548 555 554 587 565 587 567 555 554 10 25 0,99 1,00 1,01 0,99 1,01 1,0 0,96 0,97 1,0 10 25 10 14 0,95 0,94 180 70 5,0 10 10,0 20 30,0 60 1,00 1,06 1,03 20 50 10 20 1,05 0,99 ,070,98 ,050,98 10 20 1 О 50 1тег тетеат1 т ЕЕ Етт 50 Составитель М.СДроздТехред М.Мо ргентал Корректор М.Пожо Редактор А,Маковская Заказ 1627 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101