Пути повышения выносливости

Повышение выносливости возможно путем осуществления конструктивных, технологических, металлургических и эксплуатационных мероприятий.

Конструктивные мероприятия сводятся к приданию деталям таких форм, при которых обеспечивается наименьшая концентрация напряжений. Из их числа основными являются: увеличение радиуса галтелей и уменьшение разности в жесткостях отдельных участков. Так, при замене прямобочного шлицевого соединения на эвольвентное выносливость вала повышается в два раза.

Кроме того, при выборе материала следует отдавать предпочтение вязким пластичным материалам, так как они трещиностойки. Пластическая деформация поглощает очень много энергии и замедляет рост трещин. Высокопрочные материалы имеют большой предел выносливости, но очень чувствительны к концентраторам напряжения. Они оправдывают себя, если ожидаются большие кратковременные перегрузки, при этом следует обеспечить отсутствие концентрации напряжений. Для этого используют целый ряд конструктивных и технологических приемов.

Технологические мероприятия должны обеспечить чистоту поверхности детали, высокие механические свойства ее поверхностных слоев и защиту этих слоев от воздействия коррозионной среды. Так, после полировки, обеспечивающей высокую чистоту поверхности, выносливость повышается на 15−20%; еще большее повышение выносливости достигается при алмазном выглаживании, а также при поверхностном упрочнении деталей.

Как уже отмечалось, усталостная трещина часто зарождается у поверхности детали, так как поверхность имеет различные дефекты и контактирует с окружающей, иногда агрессивной, средой. Кроме того, поверхностные слои детали являются наиболее напряженными, так как именно здесь возникают максимальные нормальные и касательные напряжения.

Пониженная выносливость и повышенная напряженность поверхностных слоев указывают на то, что прочностью этих слоев определяется прочность детали в целом. Поэтому упрочнение поверхностных слоев в значительной мере повышает выносливость детали.

В современном машиностроении применяют следующие методы поверхностного упрочнения: механические (дробеструйная обработка, обкатка роликами), термохимические (цементация, азотирование) и термические (закалка токами высокой частоты).

Сущность дробеструйной обработки заключается в том, что готовая деталь, прошедшая механическую и термическую обработку, подвергается действию потока дроби. Стальные дробинки выбрасываются лопатками быстро вращающегося ротора и ударяются о поверхность детали, вызывая наклеп этой поверхности. В процессе наклепа в поверхностных слоях создаются благоприятные остаточные напряжения сжатия, достигающие значительных величин. При эксплуатации эти напряжения частично или полностью компенсируют растягивающие напряжения от внешней нагрузки, тем самым как бы разгружая деталь. Кроме того, в процессе наклепа создается деформированный слой, имеющий повышенную твердость и лучше сопротивляющийся пластическим деформациям и разрушению. Поэтому нагрузка на упрочненную деталь может быть повышена, а при работе с одинаковыми нагрузками разрушение произойдет позже, чем неупрочненной детали.

Весьма эффективной является и обкатка деталей стальными закаленными роликами. При обкатке валов используют трехроликовое приспособление, которое закрепляют в суппорте токарного станка и перемещают вдоль оси вата вместе с суппортом.

Термохимические методы давно известны и эффективны, однако процессы упрочнения с их помощью весьма длительны, дороги и пригодны не для всех сталей. Из термических способов широко распространена поверхностная закалка токами высокой частоты, которая обеспечивает создание прочного поверхностного слоя и значительных остаточных напряжений сжатия, вследствие чего износостойкость и выносливость детали резко повышаются. Поверхностной закалке подвергают коленчатые валы, поршневые пальцы, шестерни и т. п.

Для защиты поверхностных слоев от механических повреждений и вредного влияния окружающей среды используют различные покрытия. Например, при изготовлении торсионных валов может последовательно осуществляться антикоррозионное покрытие (фосфатирование), обмотка изолентой и покраска эмалью или лаком.

Металлургические мероприятия сводятся к удачному выбору материала и режима термообработки, к борьбе с появлением закалочных трещин, газовых пузырей и неметаллических включений.

Эксплуатационные мероприятия направлены на сохранение выносливости детали в процессе ее эксплуатации. Это значит, что после изготовления детали на ее поверхности нельзя допускать добавочных концентраторов напряжений, могущих вызвать преждевременное разрушение детали.

При эксплуатации и ремонте необходимо предохранять поверхность напряженных деталей от царапин и повреждений, оберегать защитные покрытия и периодически осматривать детали с целью обнаружения усталостных трещин.