Остаточные напряжения

В результате действия на металл внешних нагрузок положение атомов в кристаллической решетке выходит за минимальный уровень кинетической энергии, нарушая структуру решетки и приводя к определенному напряженному состоянию материала.

После устранения нагрузки только часть атомов занимает исходное положение, остальные же будут смещены, из-за чего возникнут остаточные напряжения.

Остаточными называют напряжения, существующие в теле при отсутствии внешних силовых воздействий на него. Наличие этих напряжении обусловлено также неравномерностью температуры по объему тела, образованием во время нагрева или охлаждения новых структур с иной плотностью, наличием включении и др.

В зависимости от размера области, в которой возникают напряжения, различают остаточные напряжения первого, второго и третьего рода.

Остаточные напряжения первого рода – микронапряжения. Эти напряжения уравновешиваются в границах областей, размеры которых соизмеримы с размерами тела. В плоскопараллельных слоях напряжения первого рода постоянны, они изменяются в направлении, перпендикулярном к поверхности.

Напряжения второго рода, называемые микронапряжениями, занимают области, соизмеримые с объемом отдельных кристаллитов или групп кристаллитов. Они существуют в плоскостях скольжения и среди блоков мозаичной структуры.

Остаточные напряжения третьего рола изменяются в субмикроскопических областях. Они уравновешиваются в небольших группах атомов, лежащих на границах блоков мозаичной структуры в плоскостях скольжения и т. п.

Внутренние напряжения, как правило, являются следствием определенного технологического процесса, поэтому различают литейные, сварочные, закалочные, шлифовочные и другие остаточные напряжения.

Остаточные напряжения, которые сохраняются в детали длительное время, алгебраически складываясь с рабочими (внешними) напряжениями, могут их усиливать или ослаблять.

Остаточные напряжения, возникающие в поверхностных слоях при механической обработке, могут относиться к напряжениям как I, так и II рода. Типичные эпюры остаточных напряжений I рода в поверхностном слое приведены на рисунке 2.3.

Наибольшие напряжения у поверхности могут быть как сжимающими, так и растягивающими. Особенно опасны растягивающие напряжения, которые приводят к понижению усталостной прочности и износостойкости (для некоторых видов изнашивания).

Характер эпюры остаточных напряжений может быть таким, что максимальные напряжения возникают непосредственно у поверхностного слоя (рис. 2.3, а), на некоторой глубине, причем у поверхности они равны нулю (рис. 2.3, б) или имеют вид (рис. 2.3, в).

Характер эпюры остаточных напряжений и их величина в сильной степени зависят от условий и режимов резания, при механической обработке и от методов поверхностного упрочнения. Разнообразие эпюр объясняется одновременным действием различных факторов и, в первую очередь, сочетанием силовых и температурных воздействий.

Рис. 2.3. Эпюры остаточных напряжений

Пластическая деформация металла увеличивает его удельный объем, поэтому поверхностные слои, пластически деформированные при обработке резанием или при процессах упрочнения, стремясь увеличиться, встречают сопротивление недеформированного слоя металла. В результате в наружном слое появляются напряжения сжатия, а в остальной части – напряжения растяжения. Это имеет место в том случае, когда поверхностный слой не находится в состоянии ползучести, вызванном температурными воздействиями. При разогреве поверхностного слоя выше температуры, соответствующей состоянию ползучести металла, внутренних напряжений в нем не возникает. При охлаждении в наружном слое возникают растягивающие напряжения, а в нижележащих слоях – напряжения сжатия (рис. 2.3, а – справа), т.е. картина остаточных напряжении противоположна той, которая имеет место при отсутствии влияния температуры.

Так как оба фактора – температурный (состояние ползучести) и силовой (пластическая деформация) – действуют одновременно, то знак остаточного напряжения в наружном слое зависит от того, какой из этих факторов преобладает.

Исследования показали, что в образовании остаточных напряжений при шлифовании доминирующую роль играет тепловой фактор. При фрезеровании тепловой фактор уже не играет такой роли, особенно при низких и средних скоростях резания.

Следует заметить, что напряженное состояние зависит от формы и размеров детали, режимов обработки и физико-механических свойств обрабатываемого материала.

Большое влияние на характер эпюры остаточных напряжений оказывают методы поверхностного упрочнения и защитные покрытия. Установлено, что в поверхностных слоях деталей после закалки ТВЧ, поверхностного наклепа, азотирования и цементации действуют значительные сжимающие напряжения с максимумом у поверхности, а детали после такой обработки обладают повышенной усталостной прочностью. После нанесения большинства гальванических покрытий или при обезуглероживании поверхностей стальных деталей в поверхностных слоях возникают остаточные напряжения растяжения (рис. 2.3, а – справа).

Дата добавления: 2014-12-26