От механической обработки до усталости металла

Механическая обработка является одной из основных операций при изготовлении деталей машин. Заданные формы и размеры изделий выполняются при помощи механического воздействия различной природы. Другими словами, основная задача обработки – это создание необходимой геометрии. Режимы должны назначаться с условиями минимизации времени, а также ограничения влияния на структуру и свойства материала. Если последнее не выполняется, то последствия могут быть весьма негативными, вплоть до разрушения детали.

________1.jpg 

Иллюстрацией этого могут служить результаты экспертизного исследования по определению причины разрушения в процессе эксплуатации детали типа «вал» из стали 45. Оно выполнялось в Научно-исследовательском центре (НИЦ) ООО «ТК «ОМЗ-Ижора» с использованием различных методов, включая классическую металлографию (это классическое направление в металловедении) и фрактографию (она изучает поверхности излома после разрушения на образцах под световым или электронным микроскопом).

________2.jpg 

Изучение поверхности – излома – вала показало, что деталь разрушилась по усталостному механизму (рис. 1). Очаг располагался на образующей (цилиндрической) поверхности детали. Металлургических дефектов типа крупных неметаллических включений, усадочной рыхлоты, флокенов и т. п. не обнаружено ни в очаге разрушения, ни на остальной поверхности излома.

Анализ макроструктуры, выполненный на темплете, изготовленном в поперечном сечении вала, подтвердил, что металл детали, в основном, плотный, однородный, без металлургических дефектов, видимых невооруженным глазом (рис. 2). Однако на шлифе была выявлена трещина, которая, очевидно, образовалась во время эксплуатации и распространялась от образующей поверхности вала.

________3_.jpg 

Исследование микроструктуры и определение микротвердости металла показало, что вне поверхностной зоны они являются типичными для стали 45 в состоянии после закалки и отпуска: микроструктура феррито-перлитная, твердость составляет 215-223 HV0,05. Однако вблизи образующей поверхности вала имеется металл, наклепанный в результате механической обработки. На это указывает характерная микроструктура и повышенная твердость металла (рис. 3а). В наклепанном слое различаются нетравящаяся зона с твердостью 390 HV0,05 и однородно травящаяся зона серого цвета с твердостью 360 HV0,05, а также наблюдается текстура деформации. Толщина слоя наклепанного металла составляет 0,15 мм.

Таким образом, в результате наклепа изменилась микроструктура металла, а твердость увеличилась почти в 2 раза. Одновременно это привело к снижению пластичности и вязкости. Подтверждением являются выявленные множественные микротрещины, которые развивались в пределах слоя наклепанного металла (рис. 3б). Они могли образоваться не только во время эксплуатации, но и в ходе механической обработки вала. Именно такие микротрещины могли явиться очагом усталостного разрушения вала, а также причиной развития трещины, выявленной на макрошлифе.

Таким образом, основной причиной усталостного разрушения вала в процессе эксплуатации стала неудовлетворительная механическая обработка детали, что привело к значительному наклепу металла на поверхности, а также к изменению его структуры и свойств. Подобные явления обычно связаны с усилением резания за счет увеличения подачи и глубины, с износом режущего инструмента и несоответствием СОЖ.

Поэтому оптимизация режимов механической обработки деталей должна способствовать повышению их качества и обеспечению безаварийной работы машин.

Т. И. Титова, О. Ю. Малыхина, И. Б. Зенков

Научно-исследовательский центр ООО «Территориальная компания «ОМЗ-Ижора», Санкт-Петербург

Комментарии пользователей

Извините, но у Вас не достаточно прав для добавления комментария.

Авторизация