2.25 Деформации деталей из-за перераспределения внутренних напряжений

Внутренними называются такие напряжения, которые существуют в заготовке или в готовой детали при отсутствии внешних нагрузок. Непосредственной причиной образования внутренних напряжения является неоднородность линейных или объемных изменений в макро- и микрообъемах металла.

Обычно внутренние напряжения полностью уравновешиваются, и их действие на заготовку (деталь) внешне ничем не проявляется до тех пор, пока по тем или иным причинам это равновесие не будет нарушено. С нарушением равновесия, которое может быть вызвано приложением внешней нагрузки, удалением слоя материала в виде припуска, разрезкой, обработкой без снятия стружки, термическими или химическими воздействиями, заготовка (деталь) начинает деформироваться до тех пор, пока перераспределение внутренних напряжений не приведет к новому равновесному состоянию. Указанные деформации получили название остаточные деформации. При производстве и ремонте машины приходится иметь дело с внутренними напряжениями, вызываемыми процессами, происходящими при ее работе и рядом технологических процессов: литье, поковка, штамповка, холодная обработка давлением, резание, сварка, термообработка и др.

Одновременное действие двух или более причин приводит к весьма сложным эпюрам расположения внутренних напряжений по сечениям детали, и в то же время величина напряжений может превысить прочностные характеристики материала детали, и на поверхности ее появляются трещины. Такая картина часто встречается при закалке вследствие неправильно назначенных режимов.

Знание характера распределения, а также качественная и количественная характеристика внутренних напряжений весьма важны для повышения качества деталей и правильного построения технологических процессов их изготовления и восстановления. Для примера возьмем заготовку, полученную литьем. Внутренние напряжения в литой заготовке возникают из-за того, что температура толстых и тонких частей отливки получается неодинаковой при переходе из области пластических в область упругих деформаций. Для отливок из серого чугуна область этого перехода лежит в интервале температур 620-400^оС. Тонкие части отливки охлаждаются быстрее толстых. Поэтому усадка металла в ее массивных элементах происходит позднее. Однако усадка не может протекать свободно, т.к. ранее остывшие тонкие части отливки вызывают ее торможение. Кроме этого, свободному протеканию усадки оказывает сопротивление материал формы и стержней. В заготовке после ее изготовления происходит перераспределение внутренних напряжений под воздействием колебания окружающей температуры.

Перераспределение продолжает происходить в детали и после изготовления, при ее работе в машине, вызывая деформации, преждевременный износ и даже аварийные ситуации. Поэтому для увеличения долговечности машин необходимо уменьшать внутренние напряжения заготовок и не допускать наличия их в готовых деталях. Основными путями уменьшения внутренних напряжений в отливках являются: правильная разработка конструктивных форм детали, отвечающих требованиям равномерного остывания всех ее частей; правильное ведение технологического процесса отливки и особенно остывания отливок; выделение черновой обработки детали в отдельную операцию, проведение старения заготовки как после отливки, так и после черновой механической обработки.

Практика машиностроения показала, что интенсивность процесса перераспределения внутренних напряжений, а следовательно, и деформаций отливок значительно возрастает при удалении в процессе обработки поверхностных слоев металла. Поэтому после черновой обработки следует освободить деталь от зажимов, крепящих ее к столу станка или приспособления, чтобы дать ей возможность свободно деформироваться; в противном случае при дальнейшей обработке деталь будет находиться в упруго-напряженном состоянии и после освобождения от зажимов неизбежно будет деформироваться, этим и объясняется необходимость выделить черновую обработку в отдельную операцию. Это мероприятие уменьшает величину последующих деформаций детали, но обычно не настолько, чтобы их величиной можно было пренебречь. Поэтому отливки после черновой обработки подвергаются естественному или искусственному старению. Естественное старение сводится к воздействию на деталь температурных колебаний окружающего воздуха. Продолжительность естественного старения зависит от величины внутренних напряжений и устанавливается обычно для каждого типа и размера детали отдельно. Естественное старение может проводиться в течение нескольких суток, месяцев и даже лет.

Стремление сократить цикл производства привело к замене естественного старения искусственным старением, которое сводится к медленному нагреву детали до температуры 500-600^оС, выдержки ее при этой температуре в течение 4-6 часов и последующем медленном охлаждении с печью до 150-200^оС. Скорость нагрева - 60-150^о в час, а охлаждения - 20^о в час. Внутренние напряжения возникают в деталях и при проведении их термической обработки. Основными средствами сокращения внутренних напряжений после термической обработки являются: придание деталям конструктивных форм, отличающихся плавными переходами от одних объемов металла к другим, правильное ведение процесса термической обработки, особенно обеспечение равномерного остывания деталей, а также введение дополнительной операции – отпуска, т.к. сплошная закалка дает большую деформацию чем поверхностная закалка токами высокой частоты.

В сварных деталях внутренние напряжения образуются вследствие неравномерного нагрева и остывания во время сварки.

Для уменьшения остаточных деформаций сварных деталей необходимо принимать ряд конструктивных и технологических мероприятий: сварные швы следует располагать с разных сторон относительно геометрической оси детали для избежания искривления; правильность наложения сварных швов, выбор интенсивности сварочных режимов и т.д. Для устранения перераспределения внутренних напряжений и сокращения в дальнейшем величин, порождаемых ими деформаций сварных деталей, прибегают к естественному или искусственному старению аналогично тому, как это делается с чугунными отливками.