Предел упругости пружинного материала

Упругость необходимое свойство пружинного материала — является обратимым изменением формы после удаления действующих сил и  характеризуется определенным напряжением (предел упругости), выше которого появляются остаточные или  пластические деформации. Ясно, что предел упругости рессорно-пружинной стали должен быть значительным. Высокие значения предела текучести и пропорциональности предопределяют и соответствующее значение предела упругости. Поскольку определение предела упругости довольно сложно, судить об упругих свойствах стали можно по отношению предела текучести к пределу прочности при растяжении.

Однако само по себе высокое значение предела упругости еще не характеризует полностью качество материала для пружин. Очень важно, чтобы материал не снижал предела упругости с течением времени, что может происходить под влиянием температуры, коррозии и ослабления напряжений из-за перехода упругой деформации в пластическую вследствие длительного воздействия нагрузок.

Правильно проведенная термическая обработка не только дает высокий предел упругости, но и уменьшает ослабление напряжений до практически приемлемого минимума. Чем большей прочностью обладает материал, тем меньше проявляется ослабление напряжений, приводящее к потере упругих свойств и проседанию. Значит, проседание пружин и рессор может произойти вскоре после нагружения или после определенного срока службы.

Итак, на основании анализа наиболее часто встречающихся причин выхода из строя пружин и рессор можно сделать следующий вывод: путем строгого соблюдения режимов термической обработки можно добиться повышения их надежности и долговечности. Поэтому термическая обработка, установление оптимальных, наилучших ее режимов являются важнейшей задачей.

Металлографическое исследование под микроскопом образцов, вырезанных из мест вблизи изломов показало, что структура стали в этих местах неудовлетворительная. Хорошо видно, что величина зерна стала очень велика. Кроме того, имеется особая структура стали, мягкая, непрочная составляющая которой слоями залегает в зернах, делая сталь хрупкой и непрочной. На поверхности и далее на достаточно большую глубину отмечено сильное обезуглероживание, что очень вредно, так как разупрочняет поверхностный слой.

Дело в том, что крупнозернистость и наличие слоистой структуры, резкое и глубокое обезуглероживание поверхности  объясняются отсутствием контроля за температурным режимом нагрева и выдержкой в печи концов коренных листов перед завивкой ушка.

Кроме того, при закалке масло  плохо циркулирует, перегревается и не обеспечивает нужной скорости охлаждения. Повышенная хрупкость и низкое сопротивление усталости металла  быстро приводят к излому. Поэтому необходимо, во-первых, не нагревать концы  коренных листов для завивки ушка выше 950 о С, чтобы зерно не выросло и не получился перегрев металла, во-вторых, выдерживать лист при этой температуре следует небольшое время (не более 5 мин), чтобы уменьшить обезуглероживание.

Коренным решением было бы производить нагрев в восстановительной среде в рабочем пространстве печи, что целиком относится и к нагреву для гибки и закалки. Исследования показали, что при этом можно не только избежать дополнительного обезуглероживания, но и ликвидировать обезуглероживание, полученное еще при прокатке листа на металлургическом заводе, которое довольно велико (по ГОСТ 2052—53 глубина обезуглероживания при прокатке должна быть не более: 2% толщины листа до 8 мм; 1,5% толщины листа более 8 мм.)

Устраняется также образование окалины. Экспериментально доказано, что обезуглероживание даже на небольшую глубину приводит к снижению предела выносливости на 40—50%. В дальнейшем с увеличением глубины обезуглероживания при нагревах для гибки и закалки, а также в процессе ремонта предел выносливости все время снижается, приводя к уменьшению долговечности рессор и пружин.

В  условиях мастерских и кузнечных цехов устранить обезуглероживание невозможно. Однако путем быстрого нагрева (в пределах допустимого, так как теплопроводность кремнистой стали меньше, чем углеродистой), минимально допустимой выдержки при нагреве, строгой регламентации и выполнения температурного режима нагрева можно в некоторой степени снизить дополнительное обезуглероживание и тем самым способствовать увеличению срока службы рессор и пружин.

В печах с нефтяным отоплением иногда бывает полезным обеспечивать горение с недостатком воздуха, создавать коптящее пламя, снижая окислительную способность атмосферы в рабочем пространстве печи. Так поступали, в частности, на Полтавском локомотиворемонтном заводе, добиваясь некоторого снижения обезуглероживания.

При нагреве выше 1000° соотношение между толщиной окалины и глубиной обезуглероживания меняется так, что последнее несколько снижается.

Однако рекомендовать такой метод не следует, так как резко возрастают потери металла с окалиной; перегрев стали свыше 920° С при нагреве для гибки и закалки нецелесообразен и, что самое главное, эффект по уменьшению обезуглероживания очень незначителен. Кроме того, при образовании окалины часть кремния переходит в окалину, окисляется, разупрочняя поверхностный слой.

Практика термической обработки, теория обезуглероживания и окисления стали, требования, предъявляемые к пружинному материалу, позволили сформулировать вывод о том, что для предотвращения обезуглероживания и окисления стали при нагреве необходимо создание защитной атмосферы в рабочем пространстве печи. Подробнее об этом будет сказано в последней главе.

Правильно считается, что пружины рессорного подвешивания имеют больший срок службы по сравнению с рессорами. Это и понятно, так как при трении между листами в работе рессорного комплекта поверхности изнашиваются, причем неравномерно по площади листа, образуя очаги усталости. Наклепанный дробью слой быстро разрушается, смазка выдавливается, в зазоры между листами попадает песок, грязь, влага, возникает коррозия, усугубляемая трением.

Кроме того, установлено, что сборочные напряжения в локомотивных рессорах, получаемые при насадке и обжатии хомута на прессе из-за разных радиусов кривизны листов, весьма значительны и достигают 340 н/мм2 (34 кг/мм2). В рессорах с листами, гнутыми в одном штампе, т е. одинакового радиуса кривизны, сборочные напряжения не превышают 80 н/мм2 (8 кг/мм2). При работе рессоры эти напряжения, складываясь с рабочими, могут достигнуть величины, превышающей предел текучести стали. Действительно, уже при испытаниях рессор на прессе под пробной нагрузкой некоторые листы получают пластическую деформацию, т. е. проседают, что снижает срок службы рессор. Поэтому рессоры должны изготовляться с одним радиусом кривизны листов. Меньше должно быть и трение между листами.

Из анализа причин выхода из строя пружин видно, что они   ломаются обычно по второму витку (как сверху, так и снизу) и чаще всего в месте соприкосновения конца пружины со вторым витком. По расчётам при работе пружины соприкосновения витков не должно быть, но в действительности наблюдаются значительные вмятины и выбоины в месте нажатия конца пружины на второй виток, причем зазор при испытании на прессе полностью исчезает уже при нагрузке 5 000—7 ООО н (500—700 кг), тогда как рабочая нагрузка равна 29 930 н (2 993 кг). По ГОСТ 1452—53 зазор не должен превышать четверти шага пружины, т. е. расстояния между витками в свободном состоянии.

Вмятина, увеличивающаяся по величине и степени наклепа при работе пружины, служит концентратором напряжений; именно в этом месте зарождается трещина усталости, приводящая к разрушению пружины.

Как же избежать трещин усталости? Этого можно достичь изготовлением более тонкого конца пружины и правильно проведенной термообработкой. В результате пружина окажется достаточно прочной, а также упругой и вмятина на ней не получится.

8 Январь 2013 Опубликовано в Мастер-класс

Комментирование закрыто.