Характеристики твердости доминируют в чертежах термообработки ковки. Многие чертежи не содержат ничего, кроме значений HB или HRC, а также допустимого запаса искажений. Но контроль качества, основанный на конструкции,-затрагивает более глубокие-локальные зоны термообработки, требования к глубине корпуса для компонентов с поверхностной-закалкой и твердость сердцевины - все это влияет на надежность конечного компонента. Целевые показатели определяют каждый показатель.
Твердость: основной показатель с важной оговоркой
Измерение твердости преобладает над проверкой качества в цехах. -быстро, неразрушающе и экономично-. Корреляция между твердостью и прочностью на растяжение делает его практическим заменителем оценки механических свойств, когда полное испытание на растяжение нецелесообразно. ASTM A909/A909M явно связывает твердость с требованиями к пределу текучести, пределу прочности, удлинению и пластичности в поковках из микролегированной углеродистой стали.
Но слепое доверие значениям твердости, указанным в справочниках, приводит к неудачам в эксплуатации. Анализ режимов отказов должен определять целевые показатели твердости.
Это иллюстрируется стержнем молота массой 10-тонн, изготовленным из 40CrNi или 35CrMo. Первоначальные спецификации предписывали низкую твердость (241-270 HBW) исходя из предполагаемой ударной- нагрузки. Жизнь Рода осталась недолгой. Расследование отказов показало, что основным механизмом является усталостное разрушение, а не ударная перегрузка. Повышение твердости до 38-43 HRC значительно увеличило срок службы. Более низкая твердость была бы безопаснее при ударе; более высокая твердость оказалась верной для усталости.
Проектировщики, которые вычисляют распределение напряжений, применяют коэффициенты запаса прочности, преобразуют требования к прочности с помощью стандартных таблиц преобразования твердости и считают, что все готово,-полностью упускают из виду режим отказа. Штампы для холодной-обработки дают обратный урок. Для высокоточных-прессов требуются инструменты высокой твердости. Однако низкая точность станка в сочетании с большой энергией удара требует слегка пониженной твердости, чтобы предотвратить сколы кромок или полное разрушение.
Баланс силы-прочности: взаимодополняющие отношения
Марки стали демонстрируют взаимоисключающие характеристики прочности и вязкости. Конструкционные поковки, спроектированные с чрезмерным запасом прочности, приносят в жертву прочность, приводя к использованию крупногабаритных компонентов с ограниченным усталостным сроком службы. И наоборот, инструменты и штампы, оптимизированные исключительно для обеспечения износостойкости-максимальной твердости, минимальной прочности-преждевременно разрушаются при циклическом воздействии.
Соответствующий баланс достигается на основе документированного анализа условий эксплуатации. Значения прочности материала, измеренные на стандартизированных испытательных образцах, редко напрямую отражаются на структурной прочности компонентов.-Влияние размера, чувствительность к надрезам и состояние остаточного напряжения существенно изменяют реальные-мировые характеристики. Сила уровня системы-, включающая соседние взаимодействующие компоненты, добавляет еще одну переменную.
Дифференциалы твердости оптимизируют срок службы сборки. Подшипники качения увеличивают срок службы, когда шарик работает на 2 HRC сильнее, чем дорожка качения. Автомобильные ведущие шестерни превосходят рабочие характеристики, когда твердость поверхности превышает твердость сопряженной шестерни на 2–5 HRC. Идентичный материал при одинаковой твердости, наоборот, часто приводит к плохой износостойкости при контакте с трением.
Координация сердцевины и поверхности в закаленных компонентах
Детали,-цементированные-цементированные, карбонитридированные, индукционно закаленные, азотированные-требуют определенных целевых значений прочности сердечника при фиксированной глубине цементации. Чрезмерная прочность сердечника снижает полезные остаточные сжимающие напряжения на поверхности, снижая сопротивление усталости. Недостаточная прочность сердцевины перемещает зарождение усталости в переходную зону, ускоряя распространение трещин.
ISO 18203 стандартизирует методы измерения глубины гильзы для термических процессов, включая пламенную, индукционную, электронно-лучевую и лазерную закалку, а также термохимическую обработку, такую как цементация, карбонитрирование и азотирование. В документе глубина цементации определяется как расстояние по вертикали от поверхности до точки измерения твердости, достигающее 550 HV согласно ISO 6507-1. Глубина твердости при азотировании определяет точку, в которой твердость превышает значения ядра на 50 HV.
Оптимальные коэффициенты закалки для науглероженных шестерен составляют от 0,1 до 0,15 относительной эффективной глубины корпуса. Многие существующие спецификации гораздо глубже, чем необходимо. Уменьшение глубины корпуса до этого оптимизированного диапазона одновременно сохраняет усталостную долговечность и обеспечивает измеримую экономию энергии.
