автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Влияние технологии термического упрочнения на конструктивную прочность деталей машин, работающих в условиях сложного динамического нагружения

сибирский ордена трудового красного знамени

ыкгАллутшти институт им.с.ода)ниюизе

На правах рукописи

ПОПЕИЭХ АЛЬБЕРТ ИГОРЕВИЧ

влияние технологии тешшского упрсшшия на конструктивную прочность деталей машин, ра50тащих в условиях сжжного динамического нагшенйя

Специальность 05.16.01 - "Металловедение и термическая

обработка металлов"

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наун

Новокузнецк, 1993

Работа выполнена в Новосибирском Государственном техническом университете

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Тушинский Л.И.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Черняк С.С., кандидат технических наук, доцент Муратов В.М.

Ведущее предприятие: производственное объединение "Сибсельыаш"

Защита состоится О В 1993 года в ■/{? час,

на заседании специализированного совета К 063.99.01 при Сибирском ордена Трудового Красного Знамени металлургическом институте по адресу: 654080, Кемеровская обл., г.Новокуанецк-80, ул.Кирова, 42, Сибирский металлургический институт.

С диссертацией moiho ознакомиться в библиотеке института

Автореферат разослан níz-—J—ÍL__1993 года

Уиеный секретарь специализированного совета, к.т.н., доцент Рогов Ю.Е.

ощт ХАРЖГЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Развитие важнейших отраслей промышленности, например горнодобывающей или строительной, невозможно без применения зксоко.чфЗгективных и производительный механизмов удар-, ного действия, Низкий ресурс работы таи« механизмов обусловлен дейстьиеч динамических нагрузок. Одним из возможных путей поешэ-ния надежности и долговечности элементов ударных механизмов является применение сталей с высокими показателями конструктивной прочности.

При выполнении диссертационной работы был проведен научный поиск перспективных сталей для изготовления тякелонагруженных деталей ударных механизмов, проанализированы юс структура и свойства и предложены практические рекомендации по выполнению специальной термической обработки, что позволило повысить конструктивную прочность при работе в условиях многократного динамического наг- . ружения.

Тема исследования входит в научно-техническую программу "Сибирь", подпрограмма 6.01.- "Новые материалы и технологии", темы 6.01.02.01; 6.01.03.01; 6.01.03.04. и в координационные планы комплексных научных исследований Российских национальных научко--технических программ по проблемам "Глубокая переработка сырья и новые материалы", тема 7.04, "Компьютерное конструирование новых материалов", проект 4, тема 6.01.- "Упрочнение стати".

Цель данной работы заключалась в исследовании процессов разрушения сталей в условиях ударно-усталостного нагружения, разработке эффективного способа упрочнения я оптимизации его режимов • для обеспечения высоки показателей надежности и долговечности ударных мех анизмов.

3 работе решались следующие задачи:

1. Разработка метода испытаний для оценки свойств и достоверного прогнозирования поведения материалов при работе в условиях ударно-циклического нагрудения.

2. Научный поиск относительно дешевой и недефицитней стеля, способной обеспечить высокие эксплуатационные характеристики при изготовлении деталей ударных механизмов.

3. Изучение механизма разрушения и влияния структуры сталей на процесс зарокдения и роста усталостных трещин при ;«ю>ократ-

ном динамическом иагружении сжатием.

4. Поиск оптимальных режимов изотермической аакалки, а также закалки с отпуском, позволяющих получить структуру с высокими характеристиками ударно-усталостной трещиностойкости.

5, Разработка метода термического упрочнения сталей, обеспечивающего получение оптимальной структуры и высокого уровня конструктивной прочности деталей ышин прк эксплуатации в условиях ударно-циклического нагружения.

Научная новизна. В работе получены следующие новые научные результаты:

1. Установлены основные особенности зарождения и роста усталостных трецин при нагруяении по схеме многократного динамического сжатия и их взаимосвязь со структурой металлических материалов

2. Изучено влияние режимов закалки с отпуском и изотермической обработки на ударно-усталостные свойства сталей.

3. Предложена термичзская обработка сталей с маргенсито-бейниткы.! превращением аустенитв, позволяющая значительно увеличить конструктивную прочность деталей umvM, работающих ь условиях ударно-усталостного нагружения.

Практическая ценность. Разработано испытательное оборудование, позьоляззщее оценивать свойства материалов в условиях ударно-циклического иагруженля. в том числе путем построения кинетических диаграмм усталостного разрушения. На основании полученных результатов предложена термическая обработка сталей с «артеиси-то-бейнитиым превращением пустенита, которая повволяет в 1,3... ...2,5 раза увеличать сопрогквлвше росту трещин» Промышленное испытания ударников отбойных молотков типа МО-2 показали высокую оффектнвность разработанного способа упрочнения сталей. Применение предлагаемой термической обработки позволяет уменьшить число случаев аварийного разрушения ударников и увеличить срок кх службы в 1,5 раза.

На защиту выносятся следующие основкме положения.

1, Метод исследования свойств материалов d условиях многократного динамического нагружения, основанный ка применении электромагнитных машин и построении кинетических диаграмм усталостного разрушения позволяет с высокой степенью достоверности прогнозировать поведение гяяелонаг'ру.кеншх деталей ударных us-ханизшв,

2, Усталостные характеристики деталей машин сложным обра-

зо>^ зависят от химического состава сталей и характера прикладываемой нагрузки. При проведении ударноусталостных испытания по схе-. пе сжатия отступление от услогий центрального удара приводит к смещении оптимального уровня прочности сталей в область пониженных значении.

3. Для изготовления деталей машин и элементов конструкций, работающих, в условиях ударно-усталостного нагруткения, эф^ектигно применение не дорогой, доступной стали 5Х132С. В работе оптимизированы режимы ее упрочнения закалкой с отпуском и изотермической закалкой.

4. Создание в сталях б результате термообработки с мартенси-то-бейнитным превращением вустенита смешанной структуры позволяет значительно повысить их конструктивную прочность за счет высокого сопротивления пластическому деформированию и значительного сопротивления хрупкому и усталостному разрушению.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на зональной научной конференции "Структура и свойства материалов" (г.Новокузнецк, 1988), на И Всесоюзном научно-техническом семинаре по повышению эффективности пневмоударнкх буровых машин (г.Новосибирск, 1990 г.), на городском научном семинаре по металловедению (г.Новосибирск, 1987-1992 гг.).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 5 статей.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, приложения и содержит 149 страниц машинописного текста с 4 таблицами, 72 рисунка и список литературы из 177 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В разделе "Введение" дана краткая характеристика диссертационной работы, показана ее актуальность и новизна, сформулированы основные положения, представляемые к защите.

Глава I. КОНСТРУКТИВНАЯ ПРОЧНОСТЬ И ПРИЧИНЫ РАЗШЕНИЯ ТЯКЕЛОНАГРУЖЕННЬК ДЬТМЕЙ УДАРНЫХ МАШИН

Анализ литературных данных позволяет сделать выводы:

I. Основной причиной выхода из строя тятелонагруженннх деталей ударных машин является их усталостное разрушение. Поверхностное виграшчвание и износ пссерхностей в значительной степе-

ни снижают как эксплуатационные характеристики, таге и общу& долговечность механизмов.

2. Используемые при изготовлении тяжелонагруженных деталей мшин стали должны обладать высокими значениями сопротивления различным видам изнашивания, сопротивления хрупкому и усталостному разрушении. Важнейшим показателей их качества является ударно-усталостная трещиностойкость.

3. В связи с малым объемом выполненных экспериментальных, исследований в настоящее вреыя трудно сделать однозначные выводы о влиянии параметров структуры сталей на юс ударно-усталостные свойства.

4. Наиболее информативным методой проведения усталостных испытаний является метод, основанный на построении кинетических диаграмм усталостного разрушения. До настоящего времени но разработано соответствующее оборудование для проведения подобных исследований в условиях ударно-усталостного нагружениь.

Глава МЬТОда ИССЛЕДОВАНИЯ СТЕУШШ И СБОПСТВ МАТЕРИАЛА

В работе исследовались стали марок УВ, 40Х, 5ХВ2С. Предварительной оценке подвергались стали 5ХФА, 5ХШ, 9ХС, ХВГ, Х1РМ. Все вышеперечисланкье стали имели химический состав в пределах, ограниченных действующими стандартами.

Ери решении поставленных задач использовались различные способы термического упрочнения сталей - закалка с отпуском, изотермическая закалка и термообработка со смешанным мартенсито-бейнит-нш превращением аустенита. Оценка эффективности методов упрочнения проводилась с использованием результатов ставдаргкьк испытаний на растяжение} ударный изгиб, циклическую! трещиностой-кость, контактную выносливость, абразивную износостойкость при различных видах изнашивания. Сопротивление ударно-усталостному разрушению оценивалось на специально сконструированном испытательном комплексе состоящем из шести установок электро-ыагиит-ного действия.

Установки реализуют две схемы нагружения: многократное динамическое сжатие и т¡»/.точечный изгиб. С их помощью возможно определение ударно-циклической долговечности в условиях сжатия и изгиба, времени зарокдения и распространении усталостной трещины, а также возможно построение кинетических диаграмм усталостного разрушения сталей. Исследование материалов по схеме -

многократного ударного сжатия проводилось при частоте нагружения 430 уд/мин с энергией единичного удара 7 Дж. При испытаниях по схеме трехточечного изгиба частота нагружения составляла 500 уд/мин, энергия единичного удара 1,8 Дк.

Для исследования структурного состояния сталей использовались методы электронно-микроскопического и металлографического анализа.

Глава 3. ОПТИМИЗАЦИЯ СТРУКТУРУ СТАЛЕЙ ПО ПАРАМЕТРАМ КОНСТРУКТИВНОЙ ПРОЧНОСТИ ПРИ МНОГОКРАТНОМ УДАРНОМ НАЮТШИ

На первом этапе исследований был проведен научный поиск относительно дешевой и недефицитной стали, способной обеспечить высокий комплекс свойств при многократном динамическом нагруже-нии. Анализ литературных данных показал, что для эти целей могут быть использованы стали следующих марок: 50ХФА, 5ХШ, 5ХВ2С, 9ХС, ХВГ, ХИЛ. В качестве контрольной использовалась сталь У8, применяемая в настоящее время для изготовления ударников отбойных молотков.

Исследования вышеперечисленных сталей на ударную вязкость и циклическую трещиностойкость показывают, что в высокопрочном состоянии (НРС 56) ' наилучшими свойствами при динамическом и циклическом нагружении обладает сталь 5ХВ2С. По параметрам износостойкости в условиях сухого трения скольжения сталь 5ХВ2С незначительно уступает стали У8. Дальнейшие исследования проводились на сталях У8, 5ХВ2С и широко используемой для изготовления деталей ударных машин стали 40Х.

Изучение усталостных характеристик закаленных и отпущенных • сталей показывает, что величина температуры отпуска, соответствующая максимальному уровню усталостных свойств в значительной степени зависит от схемы нагружения. При испытании сталей на ударно-циклическую долговечность по схеме сжатия наилучшие результаты были показаны при следующих температурах отпуска: сталь У8- и.гп=300°С, сталь 5XB2C--tf.ru =350°С.

Стеной схемы нагружения (от сжатия к трехточечному изгибу) установлено, что максимальную усталостную долговечность стали в условиях изгиба имеют при более высоких температурах отпуска. Максимальная усталостная долговечность при изгибе наблюдается у стали У8 после отпуска при 400°С, у стали 5ХВ2С - после отпуска при 60С°С и составляет 9,3-Ю4 и 1,2-10° циклов нагружения со-

-ь-

ответственно. При данных температурах отпуска стали имеют и наивысшие значения сопротивления росту усталостных трещин. Анализ среднеамплитудных участков кинетических диаграмм усталостного разрушения сталей У8 и 5ХВ2С показывает, что минимальной скоростью распространения усталостной трещины (при базовом уровне д К =30 Ша/м) обладает сталь 5ХВ2С после отпуска при 600°С, а сталь У8 после отпуска при 400°С.

Изотермическая закалка так ке является широко используемым видом термической обработки деталей тяжелонагруженных механизмов. Эксперименты по оценке ударно-усталостной долговечности показывают, что в условиях иагружешя сжатием наилучшими характеристиками стали обладают после изотермической закалки при следующих температурах: сталь У8-300°С; сталь 5ХВ2С-350°С. Долговечность сталей, обработанных по вышеуказанным режимам, состааяяет 3,7-10 и 5,5*10^ циклов соответственно. В условиях нагружения по схеме трехточечного ударного изгиба величина температуры при которой стали имеют максимальные характеристики усталостной долговечности равна: для стали У8-350°С (6"с;,=П80 МПа, НЕС 44), для стали 5ХВ2С-350°С (6^ =1200 МПа, НРС 42),. Наименьшая скорость роста усталостных трещин в сталях зафиксирована после изотермической обработки при температуре 350°С. Причем их грещино-стойкость превышает аналогичные показатели, зафиксированные при закалке с отпуском (с получением одинакового предела текучести 0О2 =1200 Ша).

Однако следует отметить, что несмотря на ряд преимуществ, изотермическая обработка по оптимальным режимам не позволяет достичь высоких прочностных характеристик. Для выполнения своих функций детали ударных механизмов должны иметь следующие прочностные свойства: 0ц> 1600 Ша, (5о^1300 МПа, НЕС 45. Таким образом применение изотермической закалки для упрочнения ударников т оте л о наг руке иных механизмов, таких как отбойные молотки, не является рациональным.

Один из возможных способов получения высокого комплекса свойств сталей заключается в термической обработке с образованием смешанных структур. В настоящей работе предложена термическая обработка с мартенсито-бейнитным превращением аустенита, позволяющая сочетать достоинства закалки с отпуском и изотермической закалки (высокие прочностные свойства при значительном уровне трещиностойкооти). Суть способа заключается в том, что после нагрева стали до аустенитного состояния производится ох-

лаждение в мартенситную область со скоростью выше критической с • целью образования в структуре определенной доли мартенсита. Количество образующегося мартенсита зависит от температуры переох-^ лаждения аустенита которая находится в области, ограниченной температурами начала Мн и конца Мк мартенситного превращения. При последующем нагреве в область температур бейнитного превращения (£(/;) происходит отпуск образовавшегося ранее мартенсита. Одновременно оставшаяся часть аустенита превращается в бейнит. В связи с тем, что мартенситное превращение реализуется не полностью и следовательно возникшие кристаллы мартенсита окружены аустенитом, обеспечивающим релаксации возникших напряжений, уменьшается вероятность образования закалочных микротрещин. Кроме того, последующий нагрев мартенсита тагсяе приводит к снижении внутренних напряжений. Немаловажным обстоятельством является то, что при такой термической обработке мартенсит образуется в ник-рооб'ьемах, обедненных углеродом и соответственно обладающих повышенным положением точки Мн< Это в свою очередь приводит к увеличению доли реечного мартенсита, характеризующегося по сравнению с двойникованым большей релаксационной способностью, а следовательно и вязкостью разрушения.

Оптимизация смешанной структуры сталей осуществлялась варьированием температуры подстуживания-Ь,, и температуры изотермической обработки Ьил. Проведенное исследования механических свойств сталей показывают, что изменение объемных долей, получаемых в процессе превращения мартенситной и бейнятной составляющих значительна влияет на прочностные характеристики сталей. Максимальными прочностными свойствами обладают стали после обработки при1п=20°С (что соответствует закалке с отпуском). Минимальные' прочностные характеристики стали имеют после обработки при-Ь,т = ="Ь|.\> (что соответствует режимам изотермической закалки). Если в структуре образуется не менее 40$ мартенситной составляющей, то стали имеют относительно высокие прочностные характеристики. Так при наличии 40% мартенсита и 40% бейнита материалы имеют следующие свойства: сталь 5ХВ2С (),„=270°С) - б',.;, =1470 МПа, НРС 48; сталь У8 (ЬП=180°С) - Ь'с,--1520 МПа, НЕС 48; сталь 40Х =270°С) - &о=и10 Ша, НЕС 45. Температура изотермической выдержки для всех трех статей была одинакова и равна 350°С. Если в структуре стали количество мартенсита составляет менее 4.0%, то исчезает прочный мартенситный каркас, и вследствие этого ухудшаются показатели прочности® свойств.

Наивысшими характеристиками усталостной долговечности и трещиностойкости обладапт стали, в которых формируется полностью бейнитная структура ("Ь^из). Если в сталях образуется 40'^ и 60^', мартенсита и бейнита соответственно, то трещиностойкость таких сталей достаточно велика и незначительно уступает изотермически закаленным сталям. Дачькейаее увеличение количества мартенситной составляющей значительно снижает усталостные свойства. Усталостная долговечность стали 5ХВ2С, содержащей в структуре 100%, 40% и 0% мартенсита составляет 8,35*10^; 1,55»105; 1,57*Ю5 циклов нагружения. Таким образом с точки зрения конструктивной прочности наиболее рационально создание в сталях структуры, содержащей АО% мартенситной и 60% бейнктной составляющей.

Вторым важным фактором, влияющий на свойства сталей после обработки с марсенсито-бейнитным превращением аустенита, является температура изотермической выдержки в области промежуточного превращения Ьм- Величина определяет как степень отпуска образовавшегося ранее мартенсита, так и морфологии образующегося бейнита, Проведенные исследования по оценке влияния величины на прочностные и усталостные свойства сталей при фиксированных значениях температуры подстукквения (£-(,=270°С-5ХВ2С, 40Х;£ц = =180°С-У8) показывают, что наивысшие характеристики конструктивной прочности стали имеют после обработки при температуре изотермической вццержки 350°С.

Таким образом максимальной конструктивной прочностью стали обладаат после обработки по следущим режимам: сталь У8-1а = =а00°С,1п =1ео°С,Ь<, =350°С; сталь 5ХВ?.С-{гл=930°С, 1П =270°С, Ьл=350°С; сталь 40ХЧ.а=860°СД„ >=270оС,^ =350°С. Время выдержки при температурах аустенитизации>„=20 мин, при температуре подстуживания'Гл --40 с, при температуре изотермической выдержки'Г-,=40 мин.

Сравнение свойств сталей, обработанных по предлагаемым ре-кимам со сталями, упрочненными закалкой с отпуском и изотермя- • ческой закалкой показывает, что при аналогичных прочностных характеристиках стали со смешанной структурой обладает повышенной пластичностью и ударноциклнческой долговечностью (табл.). Ударно-циклическая долговечность стали со смешанной структурой в 1,5...2 раза выше, чем при упрочнении другими видами термической обработки. Скорость роста трещин в стали со смешанной структурой (при одинаковой" ппочности) в 1,3...2,5 раза меньше, чем в сталях, упрочненных закалкой с отпуском и изотермической закал-

-Ц-

Таблица

Механические свойства стали после различных видов термического упрочнения

Марка! Вид !НРС ! : о«.! 0 2. | Г ! 1 ! 1Г

стали|упрочнения ! ! : Ша ! МПа 1 ! % ! ! % ! МИН.

У8 зак. + отп. 49 1740 1570 32 4,7 189

изо. эак. 48 1720 1470 25 2,2 210

обр. с М-Епр. 48 1700 1510 40 5,4 300

5ХВ2С зак. + отп. 48 1690 1510 32 4,0 180

изо. зак. 48 1240 1480 35 3,2 200

обр. с М-Бпр. 48 1710 1470 45 4,5 315

40Х зак. + отл. 45 1570 1410 47 3,7 196

изо. зак. 45 1600 1390 48 3,7 161

обр. с М-Бпр. 45 1560 1410 51 4,9 245

х ~ долговечность в условиях ударно-циклического изгиба

кой (рис.).

Таким образом термическая обработка с мартенсито-бейнитнш превращением аустенита является эффективным способом повышения ударно-усталостных свойств сталей. Применение этого метода термической обработки целесообразно для упрочнения тяжелонагружен-ных деталей ударных механизмов.

Глава 4. ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРЫ НА ХАРАКТЕР РАЗРУШЕНИЯ СТА. ЛЕЙ В УСЛОВИЯХ УДАРНО-УСТАЛОСТНОГО ИАГОТЕНИЯ

Механизм усталостного разрушения металлов при нагружении динамическим сжатием в ¡значительной степени отличается от механизма разрушения при воздействии растягивающей нагрузки. В условиях ударно-циклического сжатия зарождение и распространение усталостных трещин происходит под действием остаточных растягивающих напряжений, возникающих при отсутствии Енешней нагрузки. В условиях сжимающих напряжений разрушение материала прекращается и трещина закрывается, При атом сжимающие напряжения передаются в соседние зпны металла, как будто трещина отсутствует. Как только внешняя нагрузка снимается, вблизи вершины трещины снова появляются остаточные растягивающие напряжения и процесс разрушения продолжается. Причины появления остаточных растяги-

Рис, Трещиностойкость стели 5ХВ2С после различных еидов термического упрочнения (прочностные характеристики соответствуют данным табл.). I-термическая обработка М-Б превращением; 2-закалка с отпуском; 3-изотермическая закалка ( каждая линия на графике соответствует средним значениям 60ти экспериментальных точек).

вающих напряжений в вершине трещины связаны с экструзией металла в направлении свободных поверхностей при нагружении сжатием, а также с расклинивающим эффектом, обусловленным шероховатостью поверхности разрушения и образованием в полости трещины продуктов фреттинг-коррозии.

Присутствие в стали инородных неметаллических включений и . мякропор в значительной степени ускоряет процесс возникновения и продвижения микротрещин. Траектория распространения микротрещины, как правило, проходит .по крупным неметаллическим включениям.

Б однофазных сплавах рост усталостных трещин происходит главным образом вдоль границ зерен. Границы колоний и субколоний являются обычно преимущественным путем распространения трещин б сталях со структурой перлита. Если же трещина растет в пределах отдельной колонии, то разрушение в основном происходит по поверхностям сопряжения ферритных и цеменгитных пластин. Ударно-усталостное нагружение сталей с феррито-перлитной структурой обусловливает продвижение трещины вдоль границ ферритных зерен и колоний (субколоний) перлита, а также вдоль границ смежных перлитных колоний (субколоний).

В структурах мартенсита и нижнего бейнита в микрокаешгабе наблюдается кристаллографическая направленность усталостных трещин. Трещины движутся по ело;кной, зигзагообразной троектории вдоль границ реек, пакетов, отдельных кристаллов о<£-фазн. Такой характер разрушения наблюдается и при нагружении высокопрочной

мартенсито-бейнитной структуры. Разрушение происходит в основном по мартенситной составляющей. Обычно направление продвижения усталостной трещины совпадает с границами сопряжения мартенсита и нижнего бейнита. Частая смена направления распространения трещины увеличивает энергоемкость процесса разрушения, а следовательно в данных условиях возрастает уровень трещиностойкоати стали.

Для повышения трещиностойкоети деталей машин, работающих в условиях ударно-усталостного нагружения, рационально применение чистых сталей с малым количеством неметаллических включений, а также измельчение зеренной структуры феррита, колоний и субколоний перлита, размеров кристаллов^-фазы в бейните и мартенсите. Эффективным способом увеличения ударно-усталостной грещиностой-кости является создание смешанной мартенсито-бейнитной структуры, содержащей 40^ мартенсита и 60$ нижнего бейнита.

Глава 5. ДОЛГОВЕЧНОСТЬ СТАЛЕЙ В УСЛОВИЯХ КОНТАКТНОГО НАГРУЖЕНИЯ А АБРАЗИВНОГО ИЗНАШИВАНИЯ'

Исследования контактной выносливости сталей У8 и 5ХЕ2С (проведенные по схеме пульсирующего контакта с нагрузкой на шарик диаметром 5 мм, равной 500Н) после закалки с отпуском, изотермической закалки и термообработки с мартенсито-бейнитнш превращением аустенита показали, что при аналогичных прочностных характеристиках (см. таблицу) наиболее высокими свойствами обладает сталь 5ХВ2С со смешанной структурой. Разрушение её началось посла 1,2-ю' циклов нагружения. Контактная долговечность стали 5ХВ2С после изотермической закалки меньше в 1,6 раза (8'10® циклов), а после закалки с отпуском - в 2,5 раза (5-10® циклов).

Сравнение свойств сталей У8 и. 5ХВ2С после обработки с нар-тенсито-бейнитным превращением по оптимальным * режимам показывает, что контактная долговечность последней в 1,5 раза выше (7,8.Юб и 1,2*10 циклов нагружения соответственно). Полученные результаты коррелируют : с данными по ударно-усталостной трещиностойкоети различно упрочненных сталей.

Проведенные исследования показывают, что структура сталей в высокопрочном состоянии оказывает незначительное влияние на юс поведение в условиях абразивного изнашивания. Различие износостойкости сталей У8 и 5ХВ2С, упрочненных различными способами и имеющих одинаковые прочностные свойства ( 1500 МПа, ИКС 48) при испытаниях в условиях трения о жестко и нежестко заа-

репленные абразивные" частицы, а таете при газоабразивном изнашивании, не превышало б...10$.

В большей степени сопротивление сталей изнашиванию зависит от их химического состава, уровня прочности и твердости, а также от твердости абразивных частиц и степени их закрепленности. Эти зависимости носят сложный нелинейный характер. Результаты испытаний на износостойкость при трении о жестко и нежестко закрепленный абразив показывают, что при работе с грунтами средней абразивности твердость деталей ударных механизмов должка быть не менее НЕС 40...42.

Глава 6. ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ СПОСОБА ТЕШИЧЕСКОГО УПРОЧНЕНИЯ УДАРНИКОВ ОТБОШШ МОЛОТКОВ

Промышленные испытания проводились на Томском электромеханическом заводе им. В.В.Бахрушева. Упрочнению подвергались ударники отбойных молотков типа МО-2. Режимы термической обработки с мартенсито-бейнитным превращением аустенита соответствовали разработанным в диссертации рекомендациями. Сравнительные испытания молотков с серийными и опытными ударниками проводились на шахтах Донецкого угольного бассейна. Анализ результатов показал, что применение стали СХВ2С и предложенной технологии термического упрочнения позволяет избежать случаев аварийного разрушения ударников и увеличить срок их службы до 900 часов или по сравнению с серийными образцами в 1,5 раза.

общие вывода

1. Ударно-циклическое нагружение отличается от прочих видов нагружения целым рядом особенностей, которые существенно влияют на надежность и долговечность изделий. Наиболее информативным методом проведения ударно-усталостных испытаний является метод, основанный на построении кинетических диаграмм усталостного разрушения материалов. В настоящей работе разработано эффективное оборудование для проведения таких испытаний.

2. Одним из перспективных материалов для изготовления тя-желонагруженных деталей ударных механизмов является сталь марки 5ХВ2С, которая обладает высокими характеристиками прочности и значительным сопротивлением хрупкому и усталостному разруше-пию.

3. Максимальный уровень эксплуатационных характеристик

сталей при работе в условиях сжимающих нагрузок наблюдается при закалке с отпуском на уровень предела текучести 1400...1600 МПа 1500... 1800 МПа, Ж. 50. ..52). При работе в условиях динамического изгиба максимальными усталостными свойствами стали обладают после закалки, и отпуска на уровень предела текучести 1000... 1200 Ша (6Ы100..Л200 Ша, НЕС 38...40). Изотермическая-закалка сталей с образованием структуры нижнего бёйнита не всегда эффективна вследствие относительно низкого уровня достигаемых прочностных характеристик.

4. Разработан эффективный способ повышения конструктивной прочности сталей, заключающийся в термической обработке с м'ар-тенсито-бейнитнни превращением аустенита, которая позволяет сочетать высовио прочностные характеристики со значительным сопротивлением усталостному разрушен!®. Для изготовления тяжело-нагруденных деталей ударных механизмов наиболее оптимальной является структура, состоящая из 40$ отпущенного 'Мартенсита и 60^ нижнего бойнита.

Выполнение термической обработки по оптимальным режимам позволяет повысить прочностные характеристики исследуемы;; сталей на 2.00...250 Ша по сравнен™ с упрочнением закалкой и отпуском л изотермической закаткой (при равных значениях трещино-стойкости ) н в 1,5...1,7 раза - ударно-циклическую долговечность (при равных прочпостных характеристиках).

5. Сочетание высокого уровня показателей трещиноотойкости и прочностных свойств сталей с м&ртенсито-бейнитиой структурой связано«незавершенностью мартенсптногс превращения, чтс позволяет избегать появления высоких внутренних напряжений и следовательно р&зго уменьшить вероятность образовадия закалочных ыхкрогрещин. Мартенсит, образующийся при относительно высоких температурах в области с пониженным содержанием углерсда, менее склонен к образованию третьи. Эти факторы являются причиной повышения надежности сталей, обладающих высокими значениями предела текучее:«, обусдовлекньми сочетанием прочностных свойств мартенсита и кшнего беПнита.

6. Структура сталк оказывает существенное влияние на механизм зарождения и характер распространения усталостных трещин чрк нагру.уенип по ехше ударно-циклического сжатия. В однофазных сплавах: рст у^тгч.остпмх трещин происходит главным образом вдоль I ранит: зерен. Грлныц; колоний являются обычно преимущест-грсн'с, лучем р".::П£сстражлн!я трещин в столях со структурой пер-

Об-

лита. Если яе трещина растет в пределах отдельной колонии, то разрушение в основном происходит по поверхностям сопряжений ферритных и цементитных пластин,

В структурах мартенсита и нижнего бейнита, а так же в сталях с мартенсио-бейнитной структурой в микромасптабе наблюдается кристаллографическая направленность усталостных трещин. Трещины развиваются по слояной, зигзагообразной траектории вдоль границ реек, пакетов отдельных кристаллов:/-фазы. Неметаллические включения значительно ускоряют процесс усталостного разрушения как низко, так и высокопрочных сталей.

Очистка сталей от неметаллических включений.измельченио зерен феррита, колоний и субколоний перлита, кристаллов^-фазы в мартенсите и бейните, а так не создание смешанной мартенсито--бейнитной структуры-позволяют значительно увеличить уровень трещиностойкости сталей.

7. Создание в сталях смешанной структуры в результате термической обработки с мартенсито-бейнитныы превращением аустени-та является эффективным способом повышения их контактной выносливости. Так сопротивление поверхностному разрушению сталей со смешанной структурой в-1,5...2 раза выше, чем после упрочнения закалкой с отпуском и изотермической закалкой (при одинаковом уровне прочностных характеристик -1500 МПа,/5б =1700 ЫПа,

НЕС 48).

8. Структура исследованных сталей в высокопрочном состоянии оказывает незначительное влияние на их поведение в условиях абразивного изнашивания. В большей степени сопротивление сталей изнашиванию' зависит от их химического состава, уровня прочности и твердости, а также от твердости абразивных частиц и степени ад закрепленности. Эти зависимости носят сложный нелинейный характер. Результаты испытаний на износостойкость при трении о жестко и нежестко закрепленный абразив показывают, что при работе с грунтами средней абразивности (4...5 класса) твердость деталей уде.рных механизмов должна быть не менее НЕС 40... ...42.

9. Промьшленные испытания ударников отбойных молотков, упрочненные методом, основанном на мартенсито-бейнитном превращении аустенита, показали их высокую надежность. Результаты проведенных испытаний свидетельствуют, что применение стали 5ХВ2С

и предложенной технологии термического упрочнения позволяют из-

бежагь случаев аварийного разрушения ударников и увеличить срок службы по сравненм с серийными образцами и 1,5 раза.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих статьях-;

1. К.К.Тупицш, А.А.Артемьев, А.В.Плохой, Ю.П.Потерпев, Л. Л.Попелюх.'Повышение конструктивной прочности деталей пнев-мопробоПника. // Объемное и поверхностное упрочнение деталей маыин. Новосибирск: ЮТИ, 1987, 1907 - С.25-32.

2. И.К.Теняов, А.И.Попелюх, В.Г.Кощеев. Выбор материалов для изготовления ударников отбойных молотков. // Структура и конструктивная прочность стали. - Новосибирск: НЭТИ, 1989 -

- С.71-75.

3. А.И.Попелюх, И.К.Теняев, В.Г.Кощеев. Метод исследования свойств материалов, при ударно-циклическом приложении нагрузки. // Структура и свойства упрочненных конструкционных материалов. - Новосибирск: НЭТИ, 1990 - С.91-57.

4. В.Г.Кощеев, Д.К.Попелэх, И.К.Теняев. Свойства сталей 1ЮГ13Л, 65Г в услоьиях ударно-усталостного нагружекия. // Структура и свойства упрочненных конструкционных материалов. - Новосибирск: ЭТИ, 199С ~ С. 12-22.

5. В.А.Ватаев, А.И.Попелюх, Ю.В.Осадчий, В.Г.Кощеев. Термическое упрочнение углеродистых сталей со смешанным превращением аустенита. // Структура и конструктивная прочность стали.-

- Новосибирск: НЭТИ, 1939 - С.19-27.