Технологическое обеспечение долговечности деталей машин

ВЫСШЕЕ ОБРАЗОВАНИЕ 

 

 

 

Е.Н. ЛАПТЕВА 

Н.С. ОБЛОВАЦКАЯ 

 

 

 

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ 
ДОЛГОВЕЧНОСТИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН 

 

 

 

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ  

 

 

Электронно- 

Библиотечная 

Система 

znanium.com 

Москва 

ИНФРА-М 

2022

УДК 621.8(075.8) 
ББК 34.44я73 
Л24 

ФЗ  

№ 436-ФЗ 

Издание не подлежит маркировке  

в соответствии с п. 1 ч. 2 ст. 1 

Р е ц е н з е н т: 

Малыгин В.В., доктор технических наук, профессор 

 

Лаптева Е.Н. 
Л24 
 Технологическое обеспечение долговечности деталей машин : учебное 
пособие / Е.Н. Лаптева, Н.С. Обловацкая. — Москва : ИНФРА-М, 2022. — 79 с. — 
(Высшее образование). 
 

ISBN 978-5-16-110141-4 

Учебное пособие содержит основные сведения о методах и механизмах 
обеспечения долговечности деталей машин. Рассмотрены группы методов 
поверхностного пластического деформирования и термической обработки, в том 
числе химико-термической и термомеханической обработки деталей машин. 
Представлены 
комплексные 
технологические 
мероприятия 
обеспечения 
долговечности. 
Для студентов, аспирантов и преподавателей технических вузов. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
УДК 621.8(075.8) 
ББК 34.44я73 
ISBN 978-5-16-110141-4 

© Лаптева Е.Н., Обловацкая Н.С., 2022 

Оглавление 

Введение ......................................................................................................................................... 5 

1. 
Методы и механизмы обеспечения долговечности ............................................................ 6 

1.1 Классификация методов повышения долговечности ....................................................... 7 

1.2 Механизмы упрочнения ...................................................................................................... 9 

1.3 Наклеп ................................................................................................................................. 14 

2. Поверхностное пластическое деформирование ................................................................... 17 

2.1 Статические методы ППД ................................................................................................. 19 

2.2 Динамические методы ППД ............................................................................................. 21 

2.2 Технологическая наследственность ППД ....................................................................... 24 

3. Термическая обработка ........................................................................................................... 26 

3.1 Отжиг .................................................................................................................................. 27 

3.2 Закалка ................................................................................................................................ 30 

3.3 Поверхностная закалка ...................................................................................................... 30 

3.4 Отпуск ................................................................................................................................. 31 

3.5 Технологическая наследственность ТО ........................................................................... 32 

4. Термомеханическая обработка ............................................................................................... 36 

4.1 Низкотемпературная ТМО ................................................................................................ 40 

4.2 Высокотемпературная ТМО ............................................................................................. 41 

4.3 Механико-термическая обработка ................................................................................... 43 

4.4 Контролируемая прокатка................................................................................................. 44 

4.5 Предварительная термомеханическая обработка ........................................................... 45 

4.6 Технологическая наследственность ТМО ....................................................................... 46 

5. Химико-термическая обработка ............................................................................................. 47 

5.1 Цементация ......................................................................................................................... 49 

5.2 Нитроцементация ............................................................................................................... 50 

5.3 Азотирование ..................................................................................................................... 52 

5.4 Цианирование ..................................................................................................................... 55 

5.6 Борирование ....................................................................................................................... 57 

5.7 Силицирование................................................................................................................... 58 

5.8 Диффузионное насыщение металлами ............................................................................ 58 

5.9 Технологическая наследственность ХТО ........................................................................ 65 

6. Комплексные технологические мероприятия повышения долговечности ........................ 66 

6.1 Управление поведением трещин ...................................................................................... 66 

6.2 Защита от эрозии ................................................................................................................ 70 

6.3 Защита от коррозии ........................................................................................................... 72 

Заключение ................................................................................................................................... 76 

Нормативные ссылки .................................................................................................................. 77 

Список использованных источников ......................................................................................... 78 

 

Введение 

 

 

В настоящий момент теория долговечности находится в стадии качественного 

изменения, связанного с технологическим прорывом, обусловленным внедрением 

систем диспетчерское управление и сбор данных – так называемые SCADA
системы. Появившиеся технические возможности сбора данных непосредственно в 

процессе эксплуатации изделия позволяют рассчитывать и прогнозировать 

индивидуальную долговечность как отдельных деталей, так и технологических 

объектов в целом вместо того, чтобы, опираясь на физических закономерностей 

разрушения, износа и повреждения деталей, получать лишь приблизительные 

оценки долговечности. Кроме того, массив получаемой информации послужит 

основой целенаправленной конструкторской и технологической работой над 

повышением долговечности. 

В пособии приведены основные сведения о методах и механизмах обеспечения 

долговечности деталей машин; рассмотрены группы технологических методов 

поверхностного пластического деформирования и термической обработки, в том 

числе химико-термической и термомеханической обработки деталей машин; 

представлены 
комплексные 
технологические 
мероприятия 
обеспечения 

долговечности. 

Пособие рассчитано на формирование системного подхода к решению задач 

технологического обеспечения долговечности деталей машин у студентов 

инженерных специальностей.  

При описании методов обработки речь ведется преимущественно о сталях. 

 

 

 

 

 

1. Методы и механизмы обеспечения 
долговечности  

 

 

Эксплуатация деталей – это последовательность актов нагружения с 

сопутствующими микроразрушениями из-за процессов истирания, усталости, 

коррозии, ползучести. Сопротивление таким разрушениям характеризуется 

долговечностью деталей. 

Согласно ГОСТ 27.002-89 долговечность характеризует срок службы (ресурс) 

детали, в течение которого она выполняет заданные функции согласно требованиям 

нормативно-технической документации. Исчерпание ресурса как правило является 

результатом постепенного накопления повреждений либо чрезмерного износа 

поверхности детали. На долговечность влияет и ремонтопригодность детали - 

сложность поддержания и восстановления детали в процессе эксплуатации. 

Традиционный подход обеспечения долговечности связывает режимы 

обработки 
детали 
с 
желаемыми 
эксплуатационными 
свойствами, 
однако 

выявленные закономерности носят, как правило, частный характер, и при изменении 

условий эксплуатации или переходе к новой детали возникает необходимость 

повторения трудоемких исследований. 

При двухстадийной схеме обеспечения долговечности на первой стадии 

устанавливается связь технологических факторов с параметрами поверхностного 

слоя, на второй стадии определяется влияние этих параметров на эксплуатационные 

характеристики детали. В качестве теоретической основы для моделирования 

получаемых показателей долговечности (сроков службы, технических ресурсов) 

могут быть рассмотрены внутренние закономерности процесса формирования 

свойств поверхностного слоя и сердцевины детали.  

На настоящий момент не определено универсального метода упрочнения 

деталей, 
особо 
опасные 
условия 
эксплуатации 
требуют 
применения 

комбинированного воздействия на деталь, основанного на использовании двух или 

трех методов упрочнения, каждый из которых позволяет усилить то или иное 

эксплуатационное качество.  

Кроме того, выбор метода повышения долговечности определяется и 

экономическими показателями на соответствующих стадиях жизненного цикла: 

стоимостью изготовления, эксплуатации и утилизации. Поскольку долговечность 

машины в целом определяется ее наиболее ответственными подсистемами 

(например, движительной), рационально назначать срок службы деталей
расходников исходя из периодичности технического обслуживания.  

 

1.1 Классификация методов повышения долговечности 

Повышение долговечности деталей машин связано с увеличением прочности 

и сопротивления усталости при сохранении достаточной пластичности, вязкости и 

трещиностойкости. 
Это 
может 
быть 
достигнуто 
как 
за 
счет 
создания 

соответствующих конструкционных материалов, оптимизации топологии детали так 

и благодаря технологиям обработки. 

Долговечность - понятие, связанное со всеми основными этапами жизненного 

цикла детали. В соответствии с рассматриваемым этапом принято выделять 

следующие группы методов обеспечения долговечности: 

1. конструкторские (выбор материала, оптимизация геометрии деталей и 

их сопряжений); 

2. технологические, преимущественно относящиеся к изготовлению 

(формирование геометрии и требуемых свойств детали); 

2. технологические, преимущественно относящиеся к эксплуатации 

(техническое обслуживание и ремонт детали). 

 

При выборе материала, в зависимости от предполагаемых условий 

эксплуатации, принимается во внимание конструктивная и усталостная прочность, 

износостойкость, коррозионностойкость и т. п. При этом следует учитывать, что 

стали 
с 
высокими 
механическими 
свойствами 
более 
чувствительны 
к 

концентраторам напряжений (надрезам, галтелям и т. п.). Например, рациональное 

конструирование морских судов подразумевает равномерное распределение 

напряжений, применение средств защиты, удаление ответственных элементов из 

зоны периодического смачивания, устранение контактной коррозии. 

При действии на деталь изгибающих и скручивающих нагрузок напряжения 

по сечению детали распределяются неравномерно. При этом максимальные 

напряжения испытывают поверхностные слои. Поверхность детали после 

изготовления 
может 
иметь 
дефекты 
металлургического 
происхождения 

(волосовины, шлаковые включения) и связанные с обработкой различных стадиях 

технологического процесса риски и углубления. Каждый из таких дефектов - 

концентратор 
напряжения, 
потенциальное 
место 
зарождения 
трещины. 

Следовательно финишная обработка детали должна формировать требуемое 

качество поверхностного слоя - волнистость, шероховатость, микротвердость, 

остаточные напряжения. При необходимости следует предусмотреть термическую 

(химико-термическую) обработку и нанесение защитных покрытий. Такие 

технологии используются как при изготовлении, так и при ремонте деталей.  

Технологические методы повышения долговечности и надежности деталей 

машин могут быть направлены на: 

• повышение 
качества 
и 
эксплуатационных 
свойств 
рабочих 

поверхностей деталей; 

• объемное изменение структуры и химического состава материала с 

целью улучшения его механических характеристик; 

• объемное 
изменение 
структуры 
материала 
в 
сочетании 
с 

поверхностным упрочнением. 

 

К методам упрочняющей технологии относят также методы повышения 

твердости, прочности и чистоты рабочих поверхностей деталей машин. Повышение 

прочности и износостойкости поверхностного слоя деталей машин особенно важно, 

так как, во-первых, все процессы изнашивания протекают в поверхностных слоях и 

не затрагивают глубинные слои металла деталей; во-вторых, на поверхностных 

слоях остаются следы механической обработки (микроцарапины, ожоги), 

являющиеся местами концентрации напряжений, и термической — микротрещины; 

кроме того, поверхностные слои детали испытывают наибольшие напряжения при 

деформациях изгиба и кручения. К методам упрочняющей технологии могут быть 

отнесены и методы нанесения износостойких покрытий, и методы механического 

упрочнения поверхностного слоя деталей. Типичные значения износостойкости, 

режимы трения ряда деталей для распространенных триботехнических сопряжений 

приведены в ГОСТ 23.001-2004. 

Выбор конкретного метода зависит от конструкции детали и технологических 

возможностей процесса упрочнения. В зависимости от типа воздействия методы 

можно классифицировать на силовые (обработка резанием, пластическая 

деформация поверхности), тепловые (термическая обработка, химико-термическая 

обработка) и нанесение защитных покрытий. Перспективным направлением 

увеличения долговечности деталей является термомеханическая обработка. 

 

1.2 Механизмы упрочнения 

Для получения высокой конструктивной прочности используются следующие 

механизмы упрочнения: твердорастворное, дислокационное, дисперсионное и 

упрочнение на границах зерен и субзерен; при этом три из них (дислокационное, 

твердорастворное и дисперсионное) являются внутризеренными механизмами 

упрочнения.  

Твердорастворное упрочнение – это увеличение сопротивления движению 

дислокаций за счет повышения плотности точечных дефектов кристаллической 

решетки. Другими словами, при образовании твердых растворов замещения (атомы 

растворенного компонента В замещают атомы основного металла А в узлах 

кристаллической решетки) или внедрения (атомы В располагаются в междоузлиях) 

происходит упрочнение металла-растворителя.  

 
 

а) 
 
 
 
 
 
б) 

Рисунок 1.1 - Кристаллическая решетка твердых растворов замещения (а) и 

внедрения (б) [1]   

 

Повышение 
прочности 
в 
твердом 
растворе 
замещения 
прямо 

пропорционально 
концентрации 
растворенного 
элемента; 
при 
одинаковой 

концентрации раствор внедрения дает прочность на порядок большую. Выделяют 

следующие факторы твердорастворного упрочнения: блокировка дислокаций; 

затруднение 
движения 
дислокаций 
(искажения 
кристаллической 
решетки, 

упорядочение); изменение дислокационной структуры.  

Блокировка затрудняет начало движения дислокаций. Блокировка по 

Коттрелу объясняется присутствием примесных атомов, диаметр которых 

отличается от атомов основного металла, поэтому примесные атомы стремятся 

попасть в ядро дислокации и понизить свою энергию, и когда это происходит 

«привязывают» 
дислокацию 
к 
определенному 
месту. 
Неравномерность 

распределения положительных ионов в кристаллической решетке с дислокацией 

объясняет блокировку по Снуку, а отличия в растворимости атомов примесей - 

блокировку по Сузуки.  

Все механизмы блокировки дислокаций предусматривают увеличение 

концентрации атомов примесей или легирующих элементов в ядре дислокации, т. е. 

образование атмосферы. Для того чтобы дислокация начала двигаться, ей 

необходимо сначала оторваться от атмосферы. Другими словами, при наличии 

атмосферы для начала движения дислокации требуется несколько более высокое 

напряжение, чем для ее последующего скольжения - так называемый эффекта 

Портевена, проявление которого зависит и от температуры. С эффектом Портевена 

связано деформационное старение – это процесс постепенного охрупчивания 

материала 
из-за 
диффундирующих 
примесей 
и 
взаимодействия 
с 
ними 

образующихся дислокаций. 

Дислокационное 
(деформационное) 
упрочнение 
– 
это 
увеличение 

сопротивления движению дислокаций за счет повышения плотности самих 

дислокаций. При увеличении плотности дислокации препятствуют движению друг 

друга, тем самым упрочняя металлический материал, эта зависимость представлена 

кривой Бочвара – Одинга. Начинаясь в точке теоретической прочности, при 

плотности дислокаций 106-108 см-2 сопротивление деформации достигает минимума, 

но с увеличением количества искажений до 1010- 1012 см-2 прочность существенно 

возрастает.  

 

Рисунок 1.2 - Зависимость прочности от плотности дислокаций [2]   

 

Одновременно с повышением прочности снижается пластичность, ударная 

вязкость, вязкость разрушения и возрастает температура хрупкости. Самым простым 

и доступным приемом повышения плотности дислокаций является холодная 

пластическая деформация, наиболее эффективны термомеханические методы.  

Дисперсионное упрочнение – это повышение сопротивления движению 

дислокаций за счет постановки на пути их скольжения наноразмерных (дисперсных) 

частиц второй фазы: карбидов, нитридов, карбонитридов, интерметаллидов. Такое 

упрочнение наиболее эффективно, когда частицы упрочняющей фазы достаточно 

легко растворяются при высокотемпературном нагреве и достаточно медленно 

коагулируют при отпуске или старении. Оптимальными считаются интерметаллиды 

типа А3В (например, Ni3Ti), которые и достаточно легко растворяются при нагреве 

под закалку и достаточно медленно коагулируют в процессе отпуска или старения. 

Рассмотрим модель движения дислокаций в дисперсионно-твердеющих 

сплавах: а) выделение внутри зерен твердого раствора равномерно распределенных 

частиц упрочняющих фаз; б) выгибание и огибание частиц дислокациями с 

образованием петель. 

 

а) 
 
 
 
б) 

Рисунок 1.3 - Модель движения дислокаций [1] 

 

Чем сложнее кристаллическая решетка упрочняюще фазы, чем больше ее 

химический 
состав 
отличается 
от 
основного, 
тем 
сильнее 
упрочнение. 

Следовательно, для получения материала с высокой конструктивной прочностью 

необходимо мелкозернистое строение основного металла, в развитой субструктуре 

которого равномерно распределены высокодисперсные частицы упрочняющей 

фазы. Получаемые полупроницаемые дислокационные барьеры формируют 

сочетание высокой прочности, пластичности, вязкости разрушения и снижение 

порога хладноломкости.  

Зернограничное упрочнение – это повышение сопротивления движению 

дислокаций за счет увеличения плотности межзеренных границ, т. е. уменьшения 

размеров зерен. При приложении нагрузки скольжение дислокаций начинается в 

наиболее благоприятно ориентированных зернах и продолжается в плоскостях 

наилегчайшего 
скольжения 
до 
ближайшего 
неодолимого 
препятствия 
– 

межзеренной границы. Скопление дислокаций создает поле дополнительных 

упругих напряжений, воздействующих на соседние зерна, и когда суммарное 

напряжение превысит критическое напряжение сдвига, запустит в соседних зернах 

процесс независимого скольжения дислокаций.