Способ упрочнения металлических деталей

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ.

Союз Соя етскик

Социалист ическии

Рес убник

<»>922162 (6l ) Дополнительное к авт, свид-ву (22) За" алеко 22. 04. 80 (2 < ) 2937063/22-02 (5I)M. Кл.

С 21 0 7/02

С 21 0 8/00 с присоединением заявки М (23 ) П риоритет

Гееударстненный кемитет

СССР (53) УДК 621. 787. .,4(088.8) ла делам язебретеиий н, открыт«й

Опубликовано 23,04.82. Бюлл тень М 15

Лата опубликования описания 23. 04. 82

Б.Г.Гуревич, Е.П.Макарова, В.B.Середин и Г Д.Сл1ота - - ""., ;; 1

Э...:

t (72) Авторы изобретения

4 ам (71) Заявитель (54) СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ

ДЕТАЛЕЙ

Изобретение относится к упрочнению металлических деталей, а именно к способам повышения сопротивления усталости.

Известен способ повышения сопротивления усталости поверхностным пластическим деформированием, например поверхностным наклепом (обкаткой роликами, дробенаклепом)(1 .

Известен способ повышения conpol0 тивления усталости металлических изделий комбинированными методами упрочнения, например объемным и поверхностным пластическим деформированием (21.

Однако применение указанных cno"

15 собов для изделий сложной конфигура"" ции, с мелкими резьбами, острыми кольцевыми канавками не обеспечивает требуемого повышения сопротивления усталости.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ предварительного нагружения до напряжений, при которых в зоне концентрации напряжений протекают малые пластические деформации, и последующей полной разгрузкой. Предварительное нагружение повышает циклическую прочность образцов с надре" зом на 30-40, а у пластин с трещиной — на 3003..

Эффект повышения сопротивления усталости при известном способе упрочнения обусловливается в основном изменением механических свойств материала в зоне пластической деформации, изменением геометрии и характера действия концентратора, а также остаточными напряжениями f3).

Однако возможности повышения сопротивления усталости за счет создания благоприятных остаточных напряжений при известном способе используются не полностью, так как при последующем полном снятии нагрузки (разгрузке ) может происходить пластическая деформация обратного знака, сопровождающаяся уменьшением первона3 922, чально наведенных благоприятных нап" ряжения.

Целью изобретения является повышение усталостной прочности и долго« вечности металлических деталей.с концентраторами напряжений, например реэьбовых.

Указанная цель достигается тем, что согласно способу упрочнения металлических деталей с концентраторами напряжений, работающих при цикли" ческих знакопостоянных нагрузках с постоянной составляющей, путем их предварительного статического. нагру" жения в области малых пластических деформаций, детали подвергают статическому нагружению с величиной, равной 0,7-0,9 от разрушающей нагрузки в направлении действия рабочей наг" рузки, выдерживают в течение 2-5 с, после чего нагружение снимают до величины 0,2-0,4 от разрушающей нагрузки.

Такой характер разгрузки исключает появление пластической деформа1ции обратного -знака и способствует возникновению наибольших полезных остаточных напряжений.

В дальнейшем при циклическом нагружении эти остаточные напряжения, вычитаясь из напряжений от рабочей нагрузки, снижают действующее напряжение в опасном сечении и тем самым существенно повышают сопротивление усталости и срок службы изделия.

Предлагаемый способ может быть рекомендован для деталей с концентраторами напряжений, которые после установки в. изделие нагружены постоянной составляющей монтажной или рабочей нагрузки, как, например, предварительно затянутые силовые болты, шпильки и др., а перегрузка может производиться во время или после сборки узла.

B случае необходимости полной разгрузки, например при разборке узла, после сборки или во время сборки процесс перегрузки повторяется.

Пример осуществления способа.

Способ осуществлен и проверен уста лостными испытаниями болтов Юб и специальных образцов, имитирующих детали с конструктивными концентраторами трех типов.

Ьолты и образцы изготовляются иэ конструкционной стали марок 38ХС, 30ХССН2А, термически обработанной, 162. 4

55

26

36

46

iO на предел прочности (. р 160 кг/мм< бди "0 кГ/мм ) и из титанового сплава ВТ-22, термически обработанного на предел прочности gp12g кг/мм .

Усталостные испытания натурных болтов и образцов производятся на пятидесятитонном гидравлическом пресспульсаторе ИУП-50 .при асимметричном циклическом растяжении по режимам, имитирующим режимы работы реальных деталей.

Усталостным испытаниям подвергаются болты и образцы в исходном состоянии (без упрочнения), упрочненные растяжением до получения малой пластической деформации по известному способу (с полной разгрузкой и по предлагаемому способу (с разгрузкой до постоянной статической составляющей ассимметричного цикла растяжения).

С целью определения граничных значений величины растягивающей нагрузки, необходимой для получения малой пластической деформации, обеспе.чивающей существенное повышение сопротивления усталости при упрочнении по предлагаемому способу, испытываются на усталость образцы, подвергнутые пластической деформации растяжением нагрузкой равной О,б, 0,7, 0,8 и 0,9 от нагрузки, соответствующей их пределу прочности.

На чертеже графически показана зависимость долговечности от нагрузки растяжения образцов из титанового сплава ВТ-22, испытанных на усталость по одному и тому же режиму.

Аналогичные результаты получают и на стальных образцах.

Для определения граничных величин постоянной статической составляющей (6<1„), до которой следует снижать нагрузку после пластической дефор" мации, усталостным испытаниям подвергаются образцы, упрочненные по предлагаемому способу, при изменении постоянной составляющей в пределах

0,1-0,5 от предела прочности образца ° !

Наибольшее повышение сопротивления усталости наблюдается при постоянной статической составляющей цикла (б щ1 ) в пределах 0,2-0,4 от предела прочности ($ )

В табл.l и 2 приведены результаты усталостных испытаний образцов, изготовленных из хромокремнистой ста5 22162 6 ли 38 ХС, термически обработанной ном состоянии (без упрочнена предел прочности bg 4 165 кгс/мм и ния), так и упрочненных по изФ из титанового cnnasa Т-22 с проч- вестному и по предлагаемому споностью Ь@ 120 кгс/мм как в исход- собам.

922162

l X Q X J

z ао

orса

I >в Ъ с 08

ax u

SQQO

z ae c

zcLu а а

CV СЧ а а о о

CV

О а со

СЧ СЧ а ° о о л

СЧ СЧ

° а о о о

СЧ СЧ а а о о о о

СЧ СЧ

° a о о

I Ю о о а с е

CQ Ц;) 1О О о

v ю с 5

"1 Э

C о с

Ю э m

Ю I»

L V 8

Q X а о

I Э I С

smo

1 X Ст

I Э СХ Ъ

) X Э X ао

ОСХ1, 1 сОe8! С .О

I

I

1

I

1 о О м о

Я) т

О ° м а а

«Р о

lA а

LA л

«Сг о ! т» о а л л л тС) О

О М о со

nl

СЧ о о О о о ь

СЧ л а

I 1

Q I O

1 S I О хоо

I Э Э C

ZQ1O

I 3 Е

I О X >ь

l a x

СООТГ, x IO

1 о о

О К)

CV Сч

СЧ М

CO Л о о

CD о м о о о о о о о о

СЧ Я) О CD о о о о а о м о о о о о о а о

СО 4 о о о о о Ch в а О

I 1

1 Р э о

1 э х а

orс

I Х C > %

ССО Ю

О 1- Е Z

ХоЭХ ио!Оэ

СОХ

1 о о о о о о м ь о -ф о о

О

0 Ъ о о

D CD о о о м о о о о о а ч) Д1 ° о о о о

О Ь м м! ф а» о о о о О О

° м

Э

X З

Ц ci

Q òý Ю 4 м 1К X Ю X а с ссхо

Ю X X х..mwY! !

t

I !

t

iS l

S I

Ю 1

I» 1

2I 1 г и 1

X 1

5

X I

Iа

CV а О а

LA Л

«а

Ch СЧ

an л ь а а (7ъ м а о а а

С! м а о сч. а а

an cO О О

Э

z

Q Э сУ

Э % X

X C Ф сх ар

Эа ю х

VZDY

LA сч а а ° а со

lA LA

О О

° °

ln м\ ъО О

v t, о с x

Ю I II- I Ю

U I t"

>.! u

X I

I

С!

C 1

Ф I

m I

I- I Y

В LA

-а а

an an

«ф ф

V 9 1

C 1 ю Sv

Е

u х

Э С! х

36 I Z

Э I Х

С! t СС о

I Iо о о о о о о о л л ь ь о о о о л ь ь о а о л л

О ь о

1«« о ь с» о о

ОО о о о

Ь О л л о с; о

1 Э Х

1 СХ э о а а

Ice

Ю

=г е

eoz

a Y x

d or

У" .О X C

1- I- Iveo о 1- е

xva

o x а а с= с

О1СС 1 3

Yt X

СЮ ъ о

Y а

1 Ю х

I Е

>. z а а! 1- L

I Ю! X:

Э 40

03

3 m

О. е е а

CD ь

СЧ

OO

СЧ ь

О

LA в

СЧ

CD

CO м

mIo I аоа

1 1 Q е z ао

e COL аээо

Ю I- Y

X Ю Q

C Х У

zmzz

I- O X 1)х

1 X X

zrzr мо =гэ

X Х Ю %

l4 сМ а

lA а м с!

"CS

lA а !

3mtE I» Z C

ozQe

YQ=ГХ с Я ф ю ф

1 В

X

m I

=Г 1

X I

I с !

I! о

Ю I

I- 1

I!

1

1

I

l

О О е о > сс а

Ф О о

Е х i

„-С C

1 о х е, з z

° т Э о Э

I» Х

О СХ о э х а о

Q ф о z

1 о о

« i «o« а а LA LA ь

a a a a a

an В а В сч

-4 -Ф -Ф. «Ф lA а LA а л л о а а a a

Ch СЧ Ch К)

СЧ - СЧ

LA В ь сч сЧ а а ть а а в со Ln

Ф О а сО а а а а а а а а а LA LA LA

° Ф -Ф «Э оа

1» °

CFI 1,! и -1" о х

Ъ

X iz cD о оь

Х Х о

1- фи mm э а

Ol l

Е а

X Э—

Y о е—

C >)

a e х 1- с

x e x х z

Э

Э та

w tt o о

a>z х с о 1-о о

X X!A а м с iz сч о

C X 1

z cX

=т о—

Е X

a am ос с

Ю X

Э X 1» !

Х Э

czo

m Э хмх

О C

У иа х mсч

1- a LA

v сч

Ю C

po t х

C Ct

ЮОЮ

Ю

Ю Е X

X X l

922162

Cf

Э а л

C Х о л о xq е ц

xylo

X Е C

zCv.! 1

О

С 1 а

О

=1 1

CO е 1 а (О

t

I. а

О с <о

1 Х

1 X

I =У

1 О

1 о

I S

У .I

° °

1 Jl

I 1»

1 O

z

У о !

1-

K I

1 а 1

X 1

Э

Ф 1

СС 1

Э I а 1 о

У о

CL

C л г"

«

CO X

Э Х

<о Ф -г z

Э

Э X о z

Х

1 Э !

I «l о! L

1 < о

S 1 х 1

X.1 о

3l

Я„од

1- и х е z ссc Yu

Х X L е =т

1 X

1 Э

1 3<

1 К

1 о. с

I Е

>х

X х е

I Э

I Э

1 <Х

1 Э а

1 З

v

X х

jl

<»

v о с

1о л

X

М

1

1 1

1 S

1 >5

1 Iv

1 <<:

1 Е ! х х ! к

1 О

I I» о

< о

1 I

Я 1

C I с. а

Е I

О I!

1

1

o s

Э X

У Z

X Э

1- Iо о е

X CL о

z о

I

1 о о о

<ч

1 1 Э

CO X a. а<э э

Ig Э I»

x e

LCL

» »

Гб\ с и.э

I- -б

e x м х

Э У х о

z а э с

З б о 6

Хна К

С> с х л

Z.1 э хол у аэ3

ocmv о 1-о с оес

Лcro

Ф О

s <- o

z.o o

Э Э C хао

У Е о ил а соол

Л С ХID

i 1 4

Q Y >. сэ .о е х е !» ххсх

«: 1 1 в

1 х 1

O «: I <.< э е, EI

Z g 1«Х о

1 С О X! Э х Igl X

cz У-а э î о авз

1 C C 1» Х

1 Я

Ю х эео

I co а Ф

1 Л X Я CO Х авве

1 1- С COCL ! Л в8

>Х

Î11 XX

< xzxz о=гомэ хдхе м о4 а», ФВе!»а у а 1» х с

x o z oI e

<-хэюх

М >О гл б » о о о о о о о О о о со

Г Ъ Я

° — Ю

СС<> о о Ь о в о со <ч О 0 ОЪ >1 о о о

О О О о о о сч сч о

СЧ СО Со

» <»

<Ч

LA с < e л a a <б \ О1 ф

EEL M LA б б б.

CO C0 00

LCL El Lfl

М\ м\ N o б б В

N <<0 ФЧ

LA о о о о о о о в о

< < 00

1

1, о о

i л э

X

I, с

1 с ! OCL. о

I !, л х >х

1 хх оо

1» а

o e

I <

1, CO X OI

1 о а с:

<

Щ

z x

Э

Z Ф

I У%, о а >х со л <1

s s а

C >S о а х о о

e s а а

1 <о <о

% Ф

s s

e oI.

z % ак. о<-

I 3,>>

<х п.

I к

1 >>

1 Э у о

s a

1- CO

o x °

egu

<ссх

1 а хо е ео с !8 >< д О1 б

1

S х

1 !

I y (Ф

I х

s

1 а

I с

1 !

2162

Формула изобретения

11 92

Предварительная малая пластическая деформация по обоим способам упрочнения осуществляется растяжением образцов нагрузкой 0,8-0,9 разрушающей нагрузки, соответствующей пределу прочности образца данного типа. Длительность действия этой нагрузки составляет 2-30 с, после чего при упрочнении по известному способу образец полностью разгружается и затем испытывается на усталость, а при упрочнении по предлагаемому способу нагрузка снижается только до величины постоянной статической-составляющей(„„;„)асимметричного цикла растяжения, при котором и проводятся усталостные испытания.

Упрочнение металлических деталей по известному способу повышает условный предел выносливости (на базе

10 циклов) стальных образцов с концентратором напряжений на 2030ro и циклическую долговечность в

2-3 раза. Этот способ не применим для деталей из титановых сплавов, так как снижает их предел выносливости на 504, а циклическую долговечность в 1О раз.

Предлагае г, и способ обеспечивает повышение условного предела выносливости надрезанных образцов из стали (на базе 10 циклов) на 100" 6, из титановых сплавов - на 15-20 .

Циклическая долговечность при одном и то же напряжении увеличивается для стали в 20-300 раз, а для титанового сплава - в 2-20 раз °

Упрочнение деталей по предлагаемому способу обеспечивает повышение уровня допустимых рабочих цикличес" ких нагрузок деталей с конструктивными концентраторами напряжений из сталей и цветных, в том числе титановых, сплавов, и тем самым снижает металлоемкость узла и изделия в целом, а также улучшает их технические характеристики, повышение в несколько раз срока службы деталей, узлов и изделий в целом; возможность неоднократного упрочнения деталей при ремонте изделия, сопря" !

О женного с демон ажем узлов, в которые входят данные детали.

Способ упрочнения металлических деталей с концентраторами напряжений, работающих при циклических знакопостоянных нагрузках с постоянной составляющей, путе» их предварительного статического нагружения в области малых пластических деформаций, отличающийся тем, что, с целью повышения усталостной проч25 ности и долговечности деталей, статическое нагружение проводят с величиной, равной 0,7-0,9 от разрушающей нагрузки в направлении действия рабочей нагрузки, выдерживают в течение 2-5 с, после чего нагружение снимают до величины 0,2-0,4 от разрушающей нагрузки.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Кудрявцев И.В. Внутренние напряжения как резерв прочности в машиностроении. H., Машгиз. 1951, с.132-133.

2. Авторское свидетельство СССР

К 411140, кл, С 21 0 7/04, 1974.

3 ° РЖ "Металлургия", 1979, М 2, реферат 2И540.

922162

Ю О Ю ФЯ 44 М И C7 О М йФ

Составитель Н.Куэовнина

Техред Л. Пекарь Корректор И. Пожо

Редактор Л.Лукач

Заказ 2509/35 Тираж 587 .Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

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