Wytrzymałość na zmęczenie

Narzędzia podlegające w pracy zmiennym i częstym obciążeniom narażone są na zmęczenie. Odnosi się to głównie do narzędzi pneumatycznych, a także do matryc kuziennych, stempli do tłoczenia, do wycinania i przebijania otworów, stempli do bicia monet itp. Przypadki przedwczesnego zmęczeniowego łamania się narzędzi zdarzają się często, zazwyczaj jednak nie są

spowodowane zbyt małą wytrzymałością stali na zmęczenie, lecz wadami kształtu, powierzchni lub obróbki cieplnej narzędzia. Zanim, bowiem prawidłowo wykonane narzędzie ulegnie zniszczeniu wskutek zmęczenia, dużo wcześniej zużyje się pod wpływem innych, energiczniej działających czynników, zwłaszcza ścierania. Dlatego przy jego konstruowaniu można nie brać pod uwagę bezwzględnej wytrzymałości na zmęczenie materiału, z którego się je wyrabia, i wolno dopuszczać do tego, aby naprężenia, jakim narzędzie podlega w pracy, przewyższały tę wytrzymałość. Trzeba tylko tak zwymiarować narzędzie i tak je obrobić cieplnie, aby zapewnić mu. na tyle dużą czasową wytrzymałość na zmęczenie, żeby je zabezpieczyła przed złamaniem się, zanim dojdzie do zniszczenia wskutek ścierania.

Jednocześnie trzeba dbać o to, aby nadać mu wystarczającą wytrzymałość postaciową, tj. nie zmniejszać jego odporności na zmęczenie przez niewłaściwy kształt lub zbyt grube wykończenie powierzchni.

Wytrzymałość na zmęczenie wzrasta wraz z wytrzymałością na rozciąganie, a więc i z twardością stali. Wobec tego, że stalom narzędziowym, ze względu na znaczną zawartość w nich węgla, łatwo nadać dużą twardość; uzyskanie w narzędziu dużej wytrzymałości na zmęczenie nie przedstawia żadnej trudności. Wraz z twardością wzrasta jednak wrażliwość stali na działanie karbów, których obecność na powierzchni może spowodować zmniejszenie wytrzymałości na zmęczenie nawet o 80 i więcej, czyli zlikwidować przyrost wywołany dużą twardością nadaną przez obróbkę cieplną. Podobnie jak karby działają wszelkie nierówności powierzchni, bądź to przypadkowe, bądź pochodzące np. z obróbki mechanicznej. Przy tej samej wytrzymałości na rozciąganie (twardości) największą wytrzymałość na zmęczenie zapewnia przedmiotowi powierzchnia polerowana, a kolejno coraz mniejsza szlifowana, obtaczana i surowa (po walcowaniu lub kuciu). Tak samo szkodliwie, jak drobne nierówności powierzchni, działają karby w postaci zbyt ostrych i nagłych zmian przekroju narzędzia. Również odwęglenie powierzchniowe zmniejsza wyraźnie wytrzymałość na zmęczenie.

Ze wzrostem twardości maleje, jak wiemy, ciągliwość. Pewien zapas ciągliwości, zbędny przy zmiennych, lecz spokojnie działających obciążeniach, konieczny jest jednak tam, gdzie narzędzie podlega gwałtownym wstrząsom i uderzeniom. Dlatego narzędzia takie, jak dłuta pneumatyczne i  matryce kuzienne, muszą mieć dostatecznie dużą udarność, co możliwe jest tylko przy niezbyt dużej twardości, a zwłaszcza nie nadmiernej zawartości węgla.

Wynikające z tego praktyczne wnioski można ująć następująco. Gdzie tylko nie jest konieczna bardzo duża odporność na ścieranie, należy do wyrobu narzędzi narażonych na zmęczenie używać stali o mniejszych zawartościach węgla. Tylko tym częściom narzędzia, które bezpośrednio stykają się z obrabianym materiałem, należy nadawać bardzo dużą twardość konieczną w pracy. Resztę (kadłuby) najlepiej ulepszać, tzn. hartować I odpuszczać na stosunkowo niewielką twardość, aby nadać im wystarczająco dużą udarność i uczynić je jak najmniej wrażliwymi na działanie karbów. Należy dbać o to, aby powierzchnia była jak najgładsza, a przede wszystkim, aby nie wykazywała śladów po obtaczaniu, zwłaszcza na przejściach pomiędzy różnymi przekrojami. Przejścia te powinny być łagodne i zaokrąglone, bez jakichkolwiek podcięć. Przy obróbce cieplnej nie należy dopuszczać do nadmiernego odwęglenia powierzchni.

Narzędzia, które muszą wykazywać dużą odporność na ścieranie (np. ze względu na konieczność utrzymania wąskich tolerancji wymiarowych), można wykonywać ze stali wysokowęglowych, jeżeli pracują w stosunkowo spokojnych warunkach (np. stemple do tłoczenia). Ze względu na bardzo dużą wrażliwość na działanie karbów należy wtedy w jeszcze większym stopniu przestrzegać wymagań co do stanu powierzchni i kształtu narzędzia.

Inne własności stali narzędziowych

W poprzednich artykułach omówiono te zasadnicze własności stali narzędziowych, które wpływają głównie na trwałość narzędzia i które dość łatwo dają się pomierzyć. Prócz nich istnieje jednak jeszcze wiele własności, częściowo o mniejszym znaczeniu, wpływających czy to na koszt wytwarzania narzędzia, czy również na jego zachowanie się w eksploatacji, których nie można pominąć przy doborze stali na określone narzędzia.

Należy do nich np. obrabialność (skrawalność). W dużym stopniu jest ona funkcją twardości i dlatego stale narzędziowe obrabia się niemal z zasady w stanie wyżarzonym, zmiękczonym. Trzeba jednak stwierdzić, że możliwości wyżarzania zmiękczającego są ograniczone i większe dla stali węglowych; tym mniejsze natomiast, im więcej zawiera stal pierwiastków stopowych. Stąd stale średnio- i wysokostopowe są w stanie zmiękczonym zawsze twardsze od stali węglowych o tej samej zawartości węgla. Istnie je ponadto pewna kategoria stali — zwłaszcza stale szybkotnące i wysokowolframowe — przy których zmiękczaniu nie, należy zanadto zmniejszać twardości. Połączone to jest bowiem albo z powstawaniem pewnych odmian węglików bardzo trudno rozpuszczalnych przy grzaniu do hartowania, albo z nadmiernym rozrostem węglików w zasadzie łatwo rozpuszczalnych. I jedno i drugie powoduje, że w normalnych warunkach hartowania takie „przeżarzone” stale nie przyjmują właściwej im dużej twardości; występujące niedobory twardości mogą być tak znaczne, że uniemożliwiają w ogóle pracę narzędzia. Wreszcie na skrawalność stali ledeburytycz nych wpływają ujemnie skupienia twardych i odpornych na ścieranie węglików. Powodują one, zwłaszcza przy takich operacjach jak np. wiercenie, szybsze zużywanie się narzędzia niż przy obróbce stali równie twardej, lecz nieledeburytycznej, a więc i uboższej w węgliki, i mającej je bardziej równomiernych nie rozłożone. Tak więc, jeżeli ze względu na wymaganą dużą trwałość narzędzia konieczne jest zastosowanie do jego wyrobu stali wysokostopowej, trzeba się liczyć z większą pracochłonnością, a więc i większym kosztem jego wykonania. Nie należy natomiast wywierać na dostawcę nacisku w kierunku nadmiernego zmniejszenia twardości stali.

Stal narzędziowa wysokostopowa, głównie gatunki ledeburytyczne, cechuje jeszcze jedna nieprzyjemna właściwość, związana w dużym stopniu z wymaganą od nich wysoką odpornością na ścieranie. Stale te sprawiają duże trudności przy obróbce szlifowaniem. Wymagają one nie tylko pieczołowitego doboru tarcz ściernych, ale również łagodnych warunków szlifowania. Inaczej grozi narzędziu zepsucie czy to wskutek pęknięć szlifierskich, czy wskutek zmniejszenia twardości powierzchniowej. Nieoględne szlifowanie stali szybkotnących np. może spowodować takie niewielkie nagrzanie warstw przypowierzchniowych, że zajdzie niepożądane ich odpuszczanie, albo też tak znaczne, że zajdzie ich ponowne zahartowanie, co jest również niepożądane. Wreszcie i same tarcze ścierne zużywają się więcej niż przy szlifowaniu stali niskostopowych lub węglowych. Szlifowanie stali wysokostopowych (odnosi się to głównie do stali szybkotnących, w nieco mniejszym stopniu do wysokochromowych) jest więc kosztowniejsze i wymaga więcej czasu. I to również warto wziąć pod uwagę przy wyborze stali.

Godne uwagi są jeszcze dwie własności charakterystyczne stali do pracy na gorąco. Jedną z nich jest skłonność do powierzchniowych pęknięć pochodzenia naprężeniowo-ciepinego. Zjawisko to zwane zmęczeniem cieplnym polega na tym, że na pracującej powierzchni narzędzia powstaje siatka początkowo drobnych i płytkich pęknięć. Z biegiem czasu pęknięcia te stają się liczniejsze i rozrastają w głąb i wszerz, tworząc charakterystyczną siatkę. Siatka ta odbija się na powierzchni wykonywanych elementów pogarszając ich jakość początkowo nieznacznie, później jednak w stopniu nie dającym się tolerować. Narzędzie musi wówczas być poddane — jeżeli na to pozwalają względy wymiarowe — odnowieniu przez obróbkę mechaniczną; w przeciwnym razie idzie na złom. W skrajnych przypadkach pęknięcia powierzchniowe mogą spowodować przedwczesne złamanie się narzędzia.

Zjawisko zmęczenia cieplnego jest rezultatem cyklicznych zmian naprężeń. Mechanizm powstawania pęknięć można sobie wyobrazić następująco. Powierzchnia narzędzia ulega na przemian nagrzaniu i ochłodzeniu. Rozgrzane do wysokiej temperatury warstwy zewnętrzne rozszerzają się, lecz spoczywając na zimniejszych warstwach głębiej położonych ulegają pod ich wpływem naprężeniom ściskającym. Jeżeli naprężenia te przekraczają granicę plastyczności, obniżoną wskutek nagrzania, wówczas ulegające im powierzchniowe partie narzędzia doznają odkształcenia plastycznego w postaci spęczenia, powodującego pewne zmniejszenie naprężeń. Przy następnym obniżeniu temperatury partie te okazują się zbyt krótkie, ulegają więc naprężeniom rozciągającym.