9.1.3 Влияние остаточных напряжений на эксплуатационные
свойства деталей машин
Трение деталей сопровождается развитием значительных пластических деформаций в поверхностных слоях, которые вызывают наклеп и большие остаточные напряжения сжатия. Величина этих напряжений зависит от условий трения и пластических свойств трущихся материалов и не зависит от величины и знака остаточных напряжений, созданных предшествующей обработкой и существующих в поверхностном слое до начала трения. Величина и знак остаточных напряжений в поверхностном слое, созданных предшествующей обработкой, не оказывают влияния на скорость и величину износа при скольжении.
Усталостная прочность деталей очень сильно зависит от величины, знака и глубины распространения остаточных напряжений поверхностного слоя. Многочисленными исследованиями установлено, что при наличии в поверхностном слое остаточных напряжений сжатия предел выносливости детали повышается, а при наличии остаточных напряжений растяжения − снижается. Причем остаточные напряжения сжатия в большей мере повышают предел выносливости, чем снижают его такие же по величине остаточные напряжения растяжения. Так, для сталей повышенной твердости повышение предела усталости благодаря действию остаточных напряжений сжатия составляет 50 %, а снижение его под действием растягивающих остаточных напряжений составляет 30 %.Влияние остаточных напряжений на предел выносливости особенно велико для материалов, у которых разница в прочности при растяжении и сжатии большая. График зависимости предела выносливости металлов и сплавов ВТ3-1 от величины и знака остаточных напряжений показан на рис. 9.3.
Рис. 9.3. Влияние остаточных напряжений на предел выносливости
Из графика (рис. 9.3) видно, что между пределом выносливости σ-1 и остаточными напряжениями σост существует прямая связь, которая может быть выражена следующим соотношением
, (9.1)
где σ-1 – предел выносливости материала после обработки; А − постоянные величины, зависящие от способа обработки и материала обрабатываемой детали; σост – остаточные напряжения поверхностного слоя, возникшие при обработке детали.
Аналогичные соотношения получены при различных способах обработки и различных материалов. При нагревании деталей, имеющих в поверхностном слое остаточные напряжения, происходит релаксация напряжений и их влияние на предел выносливости ослабевает.
Теплота, выделяющаяся в зоне резания при различных методах обработки в определенных условиях (напряженные режимы резания, притупление режущего инструмента и засаливание абразивного круга особо высокой твердости, недостаточное охлаждение и другие факторы), вызывают структурные изменения в поверхностном слое металла. При обработке металлов, воспринимающих закалку, может произойти частичная закалка металла поверхностного слоя, а при обработке закаленных металлов может произойти их отпуск различной степени. Структурные изменения металла при его механической обработке и, в частности, прижоги щлифуемой поверхности существенно влияют на износ и предел выносливости деталей (рис. 9.4).
U, мг
σ-1,МПа
2
400
1
470
2
300
200
392
1
100
314
6
5
4
3
2
1
0
25
20
15
10
5
0
Число циклов нагружений N·106
Число циклов нагружений N·103
б
а
Рис. 9.4. Влияние шлифовального прижога на износ (а) предел выносливости (б)
образцов из стали 40Х: 1 – с прижегом; 2 – без прижога
Из рис. 9.4, а видно, что детали из закаленной стали 40Х имеющие прижоги при шлифовании изнашиваются значительно быстрее , чем детали, в которых отсутствуют прижоги. Обычно в зонах отпущенного металла, имеющего меньший удельный объем, развиваются остаточные напряжения растяжения, которые снижают усталостную прочность. При этом на границах участков измененной структуры часто образуются шлифовочные трещины, являющиеся очагами усталостных разрушений деталей.
Предел выносливости образцов с прижогом (рис. 9.4, б) значительно ниже предела выносливости образцов, изготовленных из стали 40Х без прижогов.
ЛЕКЦИЯ № 10