10.2 Параметри, що обумовлюють довговічність сталі
Основним параметром, що характеризує опір сталі втомному руйнуванню, є межа витривалості, що визначається відповідно до ГОСТ 2860-65 за наслідками випробування на втому десяти зразків.
Для оцінки втомної міцності сталі використовують криву втоми з достатньо достовірною побудовою її гілки, що обмежує область циклічного руйнування. Залежно від завдань дослідження доцільно будувати або усереднену криву втоми, або сім’ю кривих втоми для різної ймовірності руйнування.
Випробування надрізаних зразків дозволяють оцінити не тільки втомну міцність сталі за наявності концентраторів напружень, але і її чутливість до концентрації напружень, тобто здатність сталі реагувати на складність форми виробу або наявність внутрішніх концентраторів напружень металургійного походження. Чутливість сталі до надрізу при циклічному навантаженні найчастіше оцінюється коефіцієнтом
,
де К? – ефективний коефіцієнт концентрації напружень, ;
?к – теоретичний коефіцієнт концентрації напружень, визначуваний аналітичним шляхом або спеціальними експериментами.
Випробування на втому є тривалими і металомісткими, тому в деяких випадках рекомендується використовувати прискорені втомні випробування за методом Локаті.
Контактно-втомна міцність визначає довговічність сталі, з якої виготовляють підшипники, рейки, колеса, а також різноманітні котки, бігунки, фрикційні варіатори та інші деталі, що виходять з ладу через утворення фарбувань на поверхні контакту, пітингу і відколів. Процес контактної втоми, крім ознак, характерних для будь-якого виду втоми (руйнування у результаті утворення і поступового розвитку тріщин, наявність у деяких випадках фізичної межі втоми, однакового впливу концентрації напружень, такої самої залежності довговічності від навантаження), має і деякі специфічні. До них належать напружений стан при контактному навантаженні, значна пластична деформація поверхневого шару, явища тертя і зносу, що проходять паралельно контактній втомі, а також поступовий характер відмов, що призводить до деякої умовності критерію руйнування.
Для напруженого стану при контактному навантаженні характерні об'ємність, неоднорідність із великим градієнтом зміни напружень по глибині, а також велика м'якість. М'якість напруженого стану, створюваного при контактно-втомному навантаженні, пов'язана з великим значенням відношення дотичних напружень до нормальних розтягувальних напружень. Це дозволяє деформуватися і тим матеріалам, які за звичайних жорсткіших умов навантаження не можуть пластично деформуватися. Високий градієнт зміни напружень по глибині призводить до поширення пластичної деформації при контактному навантаженні на невелику глибину. Контактно-втомна міцність залежить від прослизання: спочатку знижується з його зростанням, а потім збільшується. Зниження контактно-втомної міцності при збільшенні прослизання пов'язане з підвищенням дотичних напружень під дією сили тертя, що зростає, яка мінімальна при коченні й різко зростає за наявності ковзання. Наявність сили тертя в контакті є причиною зниження контактної міцності відстаючих поверхонь у порівнянні з випере-джаючими. Ці особливості явищ контактної втоми, а також вплив другої контактуючої поверхні, перерви в роботі, шорсткість поверхні й масштабний фактор повинні враховуватися методикою випробувань на контактну втому, розрахунками контактно-втомної міцності й усіма дослідженнями контактної міцності матеріалів. Необхідно мати на увазі, що для правильного моделювання явищ, що проходять у місцях реального контакту деталей машин, на зразках-роликах необхідно добитись аналогії за кінематичними і геометричними параметрами навантажень.
До недавнього часу була відсутня єдина методика випробування сталі на контактну втому. Тому результати випробувань, що проводяться в різних лабораторіях, виявлялися незіставними, що затримувало накопичення даних про контактно-втомну міцність різних матеріалів.
У міжгалузевій методиці за основну характеристику контактно-втомної міцності матеріалу прийнята фізична або обмежена межа контактної витривалості ?к, під якою розуміють максимальне нормальне напруження циклу ?maх (обчислене за формулами теорії пружності), при якому не спостерігається руйнування поверхневих шарів випробовуваного матеріалу при даній базі випробування.
На основі аналізу великого числа кривих контактної втоми вибрана така база для визначення межі контактної витривалості: 5?107 циклів для сталей і сплавів, що мають горизонтальну ділянку на кривих контактної втоми, і 2?108 циклів для матеріалів, що не мають горизонтальної ділянки на кривих. У разі порівняльних випробувань допускається зменшувати базу відповідно до 107 і 5?107 циклів. Для зіставності результатів випробувань у методиці прийняті єдині критерії руйнування. При всіх видах кочення критерієм руйнування є початок прогресуючого викришування, яке згодом може призвести до утворення викришувань по всій поверхні. Момент руйнування рекомендується фіксувати за допомогою спеціальної електронної апаратури.
Важливою вимогою методики є збереження постійності контактних напружень у процесі випробувань. Тому методика може бути застосована до металів і сплавів, що мають твердість не менше НВ 250, у яких у процесі контактного навантаження не відбувається помітної макропластичної деформації в зоні контакту, що призводить до сильної зміни форми поверхні.
Зіставлення результатів контактно-втомних випробувань, проведених у різних лабораторіях, важке, тому що вони виконані на різних машинах з використанням зразків різної форми і розмірів.
Опір матеріалу утворенню поверхневих викришувань дуже чутливий до навіть невеликих змін у структурі сталі та її металургійній якості. Випробування металів і сплавів на контактну міцність не можуть бути замінені іншими випробуваннями, оскільки дають найважливішу інформацію про матеріали, що працюють в умовах контактного навантаження і необхідні для дослідження найраціональніших шляхів підвищення контактно-втомної міцності сталей.
Зносостійкість. Різноманітні види зношування, стирання і зминання поверхні деталей машин є поширеними причинами виходу їх із ладу і лімітують таким чином їх довговічність. Характер і механізм зносу дуже різняться не тільки у різних деталей, але і навіть одних і тих самих деталей, що працюють у різних умовах. Оскільки зносостійкість пов'язана з проявом не одного, а декількох властивостей у певних умовах тертя, тому неможливо створити єдиний спосіб випробування на знос усіх матеріалів, призначених для виготовлення деталей, що працювали в різних умовах. Питання ж моделювання умов роботи деталей і характеру зносу при лабораторних випробуваннях є найважливішими. При лабораторних випробуваннях матеріалів на знос потрібно відтворювати не весь комплекс експлуатаційних умов роботи матеріалу, а тільки типові умови, які вважаються істотнішими для прояву виду зносу, що вивчається.
Прагнення наблизити випробування до експлуатаційних умов не повинне призводити до зовнішньої імітації, тобто відтворення другорядних, непринципових умов експлуатації, що досягаються до того ж ціною великого ускладнення випробувальних машин. Необхідне і можливе спрощення випробувань за умови, що будуть відібрані й відтворені головні, визначальні фактори, від яких залежить довговічність виробів (особливості навантаження, напружений стан, температура, середовище і т. д.).
З викладеного виходить, що:
1) схема навантаження, форма зразків й інші особливості методики повинні бути простими і повинні дозволити одержати той самий механізм зносу, що й в експлуатації;
2) матеріали, види обробок при лабораторних та експлуатаційних випробуваннях повинні розміщуватися в однаковий ранговий ряд за зростанням опору зносу.
Прагнення наблизитися при випробуванні на зношування до експлуатаційних умов не повинне перешкоджати стандартизації цих випробувань, яка необхідна для зіставлення результатів, одержуваних при випробуваннях на зношування в різних лабораторіях.
,
;