Способ упрочнения деталей

 

СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ, преимущественно литых несущих деталей железнодорожного подвижного состава, включающий нагружение их статической нагрузкой, по направле- . нию совпадающей с рабочей нагрузкой и вызьшающей возникновение остаточ- . ных пластических деформаций в ааиболее напряженных зонах, о т л ячающийся тем, что, с цель повышения живучести, предела вьтосливости и повышения сопротивления хрупкежу разрушениюj нагружение производят до появления в н кболее напряженных зонах остаточных пластических деформаций 0,1-0,3%,

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

4(я) С 2f D 7/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

IlO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И 0THPbfTMA

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3482396/22-02 (22) 10.08.82 (46) 23.05.85. Бюл. В 19 (72) С.И. Попов, М.С. Михалев, Л.И. Дерябин, В.К. Сотников, Л.И. Берштейн, Ю.Н. Малыгин, Г.И. Осадчук, Л.В. Терешкин, В.В. Коваль, А.Ф. Матвиенко и В.Л. Шагалов (71) Уральское отделение Всесоюзного научно-исследовательского института железнодорожного транспорта и Уральский вагоностроительный завод им. Ф.Э. Дзержинского (53) 621.787.4 (088 8) (56) f. Шахов В.И. Повышение ресурса боковых рам вагонной тележки.—

"Вестник машиностроения", f977, 9 1 с. 37-39.

2. Авторское свидетельство СССР

Ф 286406 ° кл. Р 16 В 33/00 1969.

„„Я0„„11570 7 А (54) (57) СПОСОБ УПРОЧНЕНИИ ДЕТАЛЕЙ, преимущественно литых несущих деталей железнодорожного подвижного сос" тава, включающий нагружение их статической нагрузкой, по направле- . нию совпадающей с рабочей нагрузкой и вызывающей возникновение остаточных пластических деформаций в наибо« лее напряженных зонах, о т л ич а ю шийся тем, что, с целмв повышения живучести, предела выносливости и повышения сопротивления хрупкому разрушению, нагружение производят до появления в наиболее напряженных зонах остаточных пластических деформаций 0,1-0,3Х.

1 11570

Изобретение относится к области упрочнения стальных изделий и может найти применение в машиностроении, преимущественно при изготовлении и ремонте литых несущих деталей железнодорожного подвижного состава.

Известен способ упрочнения литых несущих деталей за счет создания в наиболее ответственных зонах остаточных напряжений обратного знака 10 рабочим напряжением в результате пластической деформации, основу которого составляет вибронаклеп металла многобойковым упрочнителем в локальных участках деталей. Такой способ обработки обеспечивает заметное повышение усталостной прочности Р12

Однако в результате повышенйя твер. дости металла в наклепанном слое на 30-407. по сравнению с исходным 20 состоянием имеет место снижение сопротивления стали хрупкому разрушению, создаются условия образования микротрещин в наклепанном слое, особенно в области твердых неметалли- 35 ческих включений, и возникает концентрация остаточных напряжений того же знака, что и рабочих напряжений, у внутренних дефектов,расположенных под наклепанным слоем, вследствие чего повышается вероятность инициирования усталостной трещины.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигае35 мому результату является способ объемного упрочнения деталей, работающих при переменных нагрузках, заключающийся в том, что деталь нагружают статической нагрузкой, которая по направлению совпадает с рабочей, но больше ее, в результате чего в детали возникают пластические деформации.

После снятия статической нагрузки в детали возникают остаточные напряжения, которые, суммируясь с переменными напряжениями рабочей нагрузки, уменьшают их абсолютные значения и этим увеличивают усталостную прочность детали 27 .

Однако применение известного способа для литых несущих деталей железнодорожного подвижного состава не представляется возможным, так как он не содержит конкретных величин пластической деформации,без чего невозможно обеспечение таких

87 г важнейших характеристик эксплуатационной надежности как живучести, т.е. остаточной долговечности детали в поврежденном состоянии, сопротивления хрупкому разрушению.

Цель изобретения — повышение живучести, предела выносливости и повышения сопротивления хрупкому разрушению.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу упрочнения деталей, преимущественно литых несущих деталей железнодорожного подвижного состава, включающему нагружение их статической нагрузкой, по направлению совпадающей с рабочей нагрузкой и вызывающей возникновение остаточных пластических деформаций в наиболее напряженных зонах, нагружение производят до появления в наиболее напряженных зонах остаточных пластических деформаций 0,1-0,3Х.

При этом искажение формы детали (базовые размеры) находится в пределах допуска на размер.

Остаточная пластическая деформаограничивается значениями ,1-0,3Х так как при выходе за эти ределы происходит резкое падение качений живучести и предела выносливости, т.е. характеристики эксплуатационной надежности деталей.Нижний предел (0,1X) регламентируется живучестью и влиянием литейных дефектов на выносливость, а верхний предел (0,3X) — сопротивлением хрупкому разрушению.

Способ реализуют следующим образом.

Деталь нагружают статической нагрузкой, прикладываемой в тех же местах и в том же направлении, что и при эксплуатации, до появления в них пластических деформаций.

После снятия нагружения в упрочняемых (наиболее напряженных) зонах формируются остаточные напряжения обратного знака по сравнению с эксплуатационными напряжениями.

Литые детали грузовых вагонов: боковые рамы и надрессорные балки тележек, а также поддерживающие балочки автосцепки подвергают упрочнению по предлагаемому и известному способам, причем эа известный способ приняты режимы упрочнения, в которых остаточные пластичес з 11 кие деформации деталей выходят за заявленные пределы, т. е. меньше

0,1Х и больше О,ЗХ.

Пример 1. Боковые рамы из стали 20Л подвергают пластическому деформированию поперечным изгибом на двух опорах, расположенных посредине буксовых проемов, вертикальной статической нагрузкой до достижения предельного прогиба в средней части опорной поверхности рессорного проема 9 мм.

Пример 2. Надрессорные балки иэ стали 20Л деформируют на двух опорах, расположеннй1х под опорными поверхностями для пружин, вертикальной статической нагрузкой

1 до достижения предельного прогиба в нижнем поясе балки.

П р и м"е р 3. Поддерживающие балочки автосцепки из стали 20Л подвергают пластическому деформированию на двух опорах до достижения предельного прогиба в средней части нижнего пояса.

В наиболее напряженных зонах указанных деталей остаточные плас- тические деформации находятся в . пределах 0,05-0,4Х. Затем проводят усталостные испытания упрочненных деталей. В табл.1 приведена живучесть деталей. В табл.2 приведено влияние упрочнения на выносливость деталей с литейными дефектами.

Испытания боковых рам и надрессорных балок проводят в режиме постоянной средней нагрузки цикла, равной соответственно 300 и 400 кН, а поддерживающих балочек в режиме постоянного коэффициента асимметрии, равного 0,29.

Живучесть деталей, приведенная в табл.1, определяется как разность чисел циклов переменной нагрузки до разрушения (Np) и появления первой трещины длиной 20 мм (N ).

Сравнение вариантов в зависимости от величины средней остаточной пластической деформации проводят для боковых рам при амплитудной нагрузке цикла Р 170 кН и надрессорных балок при Р 200 кН, а поддерживающих балочек при максимальной нагрузке цикла Р 100 кН.

При остаточных пластических деформациях меньше 0,1Х эффект повышения живучести практически отсутствует, поскольку находится в пре57087 делах расстояния долговечности при циклическом нагружении.

При упрочнении по предлагаемому способу обеспечивается существенное повьппение предела выносливости и снижение влияния литейных дефектов на выносливость несущих деталей (табл.2). В результате локализации пластической деформации у литей10 ных дефектов имеет место концентрация остаточных напряжений, обратная по знаку концентрации напряжений от эксплуатационной, нагрузки.

При упрочнении в интервале дефор15 маций по предлагаемомУ способу наблюдается существенное увеличение выносливости как бездефектных деталей, так и деталей с дефектами-.

Наибольшую опасность при деформ мировании литых несущих деталей растяжением или изгибом представляют зоны локализации пластической деформации в окрестности литейных дефектов. Коэффициент локализации

25 пластической деформации у литейных дефектов типа трещин в отливках нз малоуглеродистой стали, определяется методом делительных сеток и составляет К =. 5 от величины средней остаточной пластической деформации в зоне расположения дефекта.

В табл.3 представлены результаты испытаний на ударную вязкость

KCU малоуглеродистой стали при о

-бО С в зависимости от величины остаточной пластической деформации.

Учитывая локализацию деформации у дефектов в реальных деталях, в табл.3 приведены значения KCU npu . средних остаточных пластических .деО.: формациях в интервале 0,054 Е < 0 4Х и соответствующих им локальных деформациях. В интервале средних остаточных пластических деформа- " ций О, 1-0,3Х для всех марок стали при отсутствии концентраторов имеет место повьппение ударной вязкости с ростом пластической деформа ции. При локальных пластических део формациях выше 0,5Х начинается снижение ударной вязкости, сменяющееся резким ее падением при локальной

; пластической деформации больше 1,5Х.

На поддерживающих балочках автосцепки грузовых вагонов определяет - ся основная характеристика трещиностойкости - удельная работа распространения трещины нри ударном

87 б пряженных зонах (больше 0,3%) невозможно, так как вызывает резкое падение характеристик сопротивления металла хрупкому разрушению в результате отрицательного влияния локальных пластических деформаций у дефектов.

Предлагаемый способ позволяет повысить эксплуатационные нагрузки и пределы выносливости на деталь и увеличить грузоподъемность на

3-4 т за счет повьппения живучести или же обеспечить положительный эффект при существующих нагрузках эа счет уменьшения металлоемкости и использования более дешевых марок стали.

Оппщаемый экономический эффект составляет 1 72 млн.руб. в год.

Та блица 1

11570 нагружении в интервале средних деформаций в наиболее напряженной зоне - нижнем поясе детали. Испытания проводят падающая грузом на копре с энергией удара 30 МДж при 3

-60 С. Результаты испытаний приведены в табл.4, которые свидетельствуют о том, что при средних пластических деформациях в наиболее напряженной зоне (меньше 0,1%) ра- 10 бота распространения трещины меняется незначительно. При средних остаточных деформациях (больше

0,3%) работа распространения трещины уменьшается почти в 2 раза. tS

Следовательно, упрочнение литых:. несущих деталей из малоуглеродистой стали при средних остаточных пластических деформациях в наиболее на*ивучесть (р-т)» х 10 циклов

Деформация,%

Деформиров ание по пределу

Количество циклов до

arpysa исДеталь пытаий,кН появления трещины т.10 разрушения, р . 1 0 Ф

0,97 1, 79

3,56 6,24

Ниже нижнего

По нижнему

По среднему

170

0,82

0,10

170

2 68

0,20

170

7ъ 63

11,29 4,16

0,30

По верхнему 170

Выше верхнего 1700

10,62

103 24

2,43

0,40

8,33

1,91

Ниже нижнего

По нижнему

По среднему

По верхнему

200

1 ° 82 3,04

1,22

200

0,20

200

200

0,30

6,46 1,83

0,40 4,63

Вьппе верхнего 200

100

Ниже нижнего

1,47

1,84

0,37

100

По нижнему

0,20

По среднему . 100

По верхнему 100

0,30

11,21 12,55 1,34

0,40

Вьппе верхнего 100

Боковая рама 0,05

Надрессорная О, 05 балка

0,10

Поддерживающая О, 05 бапочка

0,10

3,39 5,52 2, 13

3,61 6,18 2,57

4,22 6,24 2,02

3э,64 4,94 1,30

9,78 1 1,83 2,05, 10 66 12 31 1 ° 65

Таблица 2

1157087

Ко зффициент чувствительности к дефектам

Предел ограниченной выносливости, кН

Вид дефектности

Величина деформаций (е), х

Деталь

102

Бездефектные

-0,294

132

0,1

;0 157

118

0,1

Боковая рама

176

0,2

160

0,2

179

0,3

167

0,3

178

0,4

0,4

161

Бездефектные

Поддервиваощая балочка

0,1

-0,093

0,1

С дефектами

Бездефектные

110

105

0,2

0,3

122

118

0,3

128

0,4

0 4

116

Коэффициент. чувствительности к дефектам рассчитан по формуле к

Рм

+If где Р - предел выносливости рассматриваемого варианта, Р,„ - предел выносливости бездефектных рам при 3 О.

Ед

С дефектами

Бездефектные

С дефектами

Бездефектные

С дефектами

Бездефектные

С дефектами

С дефектами

Бездефектные

С дефектами

Бездефектные

С дефектами

-0,725 0,569

-0,755

»6,637

-0,745

-0,578

-оэ 040

-0,467

-0,400

: -0 ° 627

-0,573

-0,706

-0 ° 547

1157087

Та блица 3 ь

Ударная вязкость при -60 С, МДЖ/м, после деформации: средней/локальной, для стали марки

Деформация (E),X, средняя/локальная

20Г1ФЛ 2ОФТЛ

08ГСФН

Ов 05/оэ 25

0,56/0,7О

0,10/Oi50

)о.zols,о

0,61/0,52

О,68/0,48

0,74/0,44

0,30/1,5

0,40/2,0

1,32/0,74

0,62/0,20

1,10/О 30

Таблица 4

Удельная работа распространения трещины при -60 С, d

3Щж/м, для стали марки

Величина средней деформации,Х

20Г1ФЛ

20ФТЛ 08ГСФЛ

0,87

0,48

0,56

0 05

0,50

0 59

0,96

0,1О

0,57

0,67

1,13

0,20

0,63

0,75

1,27

0,30

0,59

Oi71

1,24

0,57

0,39

0 40

0,32

Редактор Н. Бобкова

Заказ 3286/25

Тираж 553 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Иосква, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная,4

0,48/0,58

0,54/0,47

0,58/0,40

0,61/O 39

0 54/О 19

1,1О/1,3О

1, 17/1, 05

1,24/0 ° 82 ч

Составитель И. Липгарт

Техред. Т.Дубннчак Корректор С. Шекмар