б,н/мм глубины закаленного елоя; режима на-

грева и охлаждения; качества материала; распределения закаленного слоя на поверхности изделия. При изучении остаточных напряжений эти факторы трудно разделить, однако на основе материала, полученного в ряде работ, можно установить некоторые закономерности.

Исследование остаточных напряжений при различных глубинах закалки показывает, что по мере увеличения глубины закаленного слоя пик растягивающих напряжений смещается к центру, что является благоприятным фактором. Однако при некоторой глубине закаленного слоя полезные сжимающие напряжения вблизи поверхности начинают снижаться и при значительных глубинах этого слоя сжимающие остаточные напряжения на поверхности могут быть очень небольшими.

Для каждого размера изделия существует определенная глубина закаленного слоя, при которой сжимающие остаточные напряжения еще не начинают снижаться, в то время как пик растягивающих напряжений удален от поверхности на значительное расстояние. У деталей машин небольшо10 и среднего размеров благоприятное распределение остаточных напряжений наблюдается в том случае, когда общая глубина закаленного слоя составляет 10-20% от радиуса изделия. У крупных деталей это соотношение может быть меньше.

При одинакоюй глубине закаленного слоя численное значение остаточных напряжений будет зависеть от размера изделия. На основании анализа многих данных по исследованию напряжений в поверхностно закаленных изделиях при нагреве ТВЧ, а также по аналогии с результатами исследования изделий, закаленных при нагреве кислородно-ацетиленовым пламенем [9], можно сделать вывод, что при одинаковой глубине закаленного слоя с увеличением размера изделия растут сжимающие остаточные напряжения в поверхностном закаленном слое и снижаются растягивающие напряжения в незакаленной сердцевине (рис. 2.19).

На распределение остаточных напряжений по глубине закаленного слоя влияет распределение в нем твердости, т. е. соотношение глубины мартенситного слоя и переходной зоны от закаленного слоя Е исходной структуре. При резком спаде твердости на границе слоя получается такое распределение напряжений,

Рис. 2.19. Зависимость остаточных напряжений от диаметра D изделия при одинаковой глубине закаленного слоя (хк = 2,5 мм), полученных при газопламенной закалке (X. Бюлер);

/ - Oqq в сердцевине; 2 - о/ в сердцевине; 3 - oq, в закаленном слое; 4 - (J закаленном слое

Таблица 2.2

Режимы вагрева, твердость тмубяал эакадеявого еяоя поверхностно аакалеяных образцов

при котором максимум растягивающих напряжений располагается вблизи закаленного слоя, очень близко от поверхности. Роль сжимающих напряжений в упрочнении изделия оказывается ничтожной, так как разрушение начинается под слоем, в месте максимума растягивающих напряжений. При очень широкой переходной зоне опасные растягивающие напряжения меньше, чем ггри узкой, и удалены от поверхности, однако полезные сжимающие напряжения на поверхности также снижаются. Оптимальным соотношением можно считать такое, при котором ширина переходной зоны составляет 25-30% от глубины закаленного слоя.

Режим нагрева существенно влияет на распределение остаточных напряжений по поверхности изделия. В табл. 2.2 приведены режимы нагрева под закалку, твердость и глубина закаленного слоя для нескольких образцов диаметром 65 мм из стали 45. По мере увеличения общей глубины закаленного слоя, а значит, увеличения глубины прогрева максимальные сжимающие напряжения в середине закаленного слоя растут. В данном случае не было достигнуто соотношения глубины слоя и радиуса, при дальнейшем увеличении которого сжимающие напряжения в слое начинают снижаться. Можно также отметить смещение максимума растягивающих напряжений от поверхности по мере увеличения глубины прогрева. Влияние подогрева образцов перед поверхностной закалкой на остаточные напряжения изучалось на образцах из стали 45 [9]. Предварительный педогреН способствует уменьшению растягивающих напряжений в сердцевине и сдвигу максимума этих напряжений к центру изделия.

На величину остаточных напряжений влияет исходная структура стали. Исследования стали 45 показали, что в улучшенном состоянии с увеличением твердости сердцевины растут растягивающие напряжения под закаленным слоем. Это относится как к осевым, так и к тангенциальным остаточным напряжениям. Такое явление можно объяснить высоким пределом упругости стали с повышенной твердостью.

+200

100

-zoo

-300

0 200 Ш 600 800 t;c

Рис. 2.20. Схема возникновении остаточных напряжений а при поверхностной закалке;

/ - среднеуглероднстая сталь; 2 - высокоуглероднстая сталь; S - среднеуглероднстая легированная

сталь; -нагрев; - - - охла*

ждение

СобФав и ивходная втруктура ета-ли влияют на (вещлоустойчивосгь, т. е. на температуру, до которой сохраняется высокое значение предела текучести стали, и температуру начала мартенситного иревращения, при которой происходит изменение удельного объема металла, изменяющее характер напряженного состояния. Влияние этих факторов на величину остаточных напряжений схематически может бвггь представлено сравнительными кривыми изменения внутренних напряжений по мере нагрева и охлаждения образца, закрепленного в жестком каркасе (рис. 2.20). В начале нагрева вследствие теплового объемного расширения в образце возникают сжимающие напряжения, увеличивающиеся с возрастанием температуры. При некоторой температуре сталь начинает терять упругие свойства и напряжения снижаются. При температуре 750-800 °С напряжения полностью снимутся, чему способствуют структурные превращения, идущие с образованием аустенита. В период охлаждения сталь быстро приобретает упругие свойства и в образце возникают растягивающие напряжения, которые растут до момента, при котором начнутся превращения с образованием мартенсита. Резкое увеличение удельного объема металла при образовании мартенсита вызовет напряжения сжатия в металле. Кривые / и 2 (рис. 2.20), относящиеся к углеродистой стали, совпадали практически до конца нагрева. Среднеуглероднстая сталь сохраняет прочность до более высокой температуры, однако к концу нагрева напряжения снимаются. При резком охлаждении фазовые превращения с образованием мартенсита начинаются прежде всего в ереднеуглеродистой стали. В высокоуглеродистой стали этот процесс начинается при более низкой температуре, поэтому кривая 2 для этой стали смещена влево. Поскольку объемный эффект мартенситного превращения у высокоуглеродистой стали больше, чем у доэвтектоидной, конечные значения сжимающих напряжений приблизительно одинаковы. В легированной стали мартенситное превращение происходит при еще более низкой температуре, что приводит к получению пониженного значения конечных сжимающих напряжений (кривая 3).

Остаточные напряжения в районе галтели изучались на цилиндрических образцах из стали 45. Диаметр меньшего цилиндра - 65 мм, большего - 100 мм, радиус галтели 5 мм. Уча-

Результаты наиерения остаточных иапряжевий в образцах диаметром 65 мм е галтелью

Таблица 2.3

Примечание, х - общая глубина закаленного слоя.

СТОК образца диаметром 65 мм з.жаливался на глубину 4,5 мм при частоте тока 8000 Гц и на глубину 7,5 мм - при частоте 2000 Гц. Напряжения исследовались методом вырезки столбиков и измерения деформации кристаллической решетки рентгеновским .методом. Анализ полученных данных (табл. 2.3) показывает, что при максимальном приближении закаленного слоя к галтели можно создать благоприятные сжимающие напряжения в этой зоне (образцы 3, 4, 11, 12). По мере удаления границы закален-рюго слоя от галтели сжимающие напряжения снимаются и переходят в растягивающие, максимум которых достигается при отдалении слоя на 10 мм. Дальнейшее смещение слоя снова вызывает переход к сжимающим остаточным напряжениям.

В настоящее время на некоторых заводах станкостроительной промышленности применяется поверхностная закалка крупногабаритных деталей при нагреве их малыми индукторами. Получается ленточная или спиральная закалка с полосами пониженной тв;рдости. Однако исследования показывают, что при таком методе закалки следует опасаться появления в стыке двух закаленных участков значительных внутренних напряжений, способных вызвать образование трещин (рис. 2.21).

В табл. 2.4 приведены режимы нагрева, а также данные исследования макроструктуры, поверхности и остаточных напряжений для образцов диаметром 45 и длиной 90 мм из стали 45, закален-

Таблица 2.4

Остаточные вапряжеввя в втнхе двух эакяеввыя вов

ных со стыком закаленных участков, расположенных на разных расстояниях друг от друга.

В пределах первого участка наблюдается зона отпуска, в которой твердость снижается до 25-35 HRQ в период нагрева второго закаленного участка. В стыке закаленных участков возникают остаточные растягивающие напряжения. Даже при расстоянии между слоями в 1 мм остаточные напряжения имеют большие значения. В отдельных случаях растягивающие остаточные напряжения достигают 750 Н/мм. Наибольшее значение имеют тангенциальные напряжения. Максимум растягивающих напряжений во всех случаях располагается в зоне, закаленной первой, где при вторичном нагреве происходит отпуск мартенсита до твердости 40-45 HRQ. Сопоставление данных при закалке на разные глубины показывает, что при глубине закалки 2,5 мм растягивающие напряжения были наименьшими. При закалке с нагревом током радиочастоты на форсированных режимах можно получить закаленный слой еще меньшей глубины, что, по-видимому, приведет к дальнейшему снижению вредных остаточных напряжений, так как при этом уменьшается зона термического влияния. Поэтому в случае неизбежности применения такого способа закалку нужно производить на минимально допустимую глубину. Однако у за-

наленншх таким еиовобом изделий возможно воявление иоверх-ноетных трещин.

Образовавие трещин при поверхноствой заиалке. При поверхностной закалке возможно возникновение трещин, имеющих различное происхождение. Выше указывалось, что в поверхностном слое сохраняются, как правило, сжимающие остаточные напряжения. Эти напряжения не могут служить причиной образования трещин, так как поёледние возникают при растягивающих усилиях. Следовательно, трещины образуются иод действием временных растягивающих напряжений, возникающих в период охлаждения и достигающих в определенные моменты значительной величины.

При одновременном сиособе закалки, при котором индуктор-спрейер неподвижен относительно закаливаемой поверхности, возникают трещины в местах удара струй воды о поверхность охлаждения. Выявляются паукообразные очаги разветвленных трещин. Эти трещины очень неглубокие, распространяются далеко не на всю толщину закаленного слоя и весьма тонкие, так как сжаты значительными остаточными напряжениями, действующими в закаленном слое. Это дало основание отнести их к микротрещинам, хотя в большинстве случаев они видны невооруженным глазом.

Едли изделие после закалки подвергают шлифованию, то такие трещийы чаще всего снимаются. Однако вероятность их наличия в тонком поверхностном слое и после шлифования все же сохраняется.

Степень влияния описанных выше поверхностных микротре-гцин на свойства изделий зависит от условий эксплуатации. На прочность изделия и его выносливость при переменных нагрузках такие микротрещины не влияют. Это объясняется тем, что для их развития должны быть приложены значительные растягивающие усилия, которые должны прежде всего преодолеть сжимающие остаточные напряжения. Их, по-видимому, можно отнести к числу поверхностных микродефектов, действие которых на концентрацию внешних напряжений полностью компенсируется остаточными сжимающими напряжениями. Однако в некоторых конструкциях закаленная поверхность контактирует с подшипником скольжения, материал которого намного мягче. При скольжении материал подшипника может «затираться» в щель, создавая в ней давление, противоположное действию сжимающих остаточных напряжений, и постепенно раскрывая трещину. Могут появиться задиры, вызывающие прогрессирующий выход из строя подшипника. Также недопустимы микротрещины при работе закаленного слоя в условиях контактного нагружения, когда поверхностный дефект становится очагом контактного разрушения и способствует преждевременному образованию питтцнга.

Можно дать следующее пояснение механизма образования трещин в местах удара струй охлаждающей воды. При резком