5.2.3. Остаточные поверхностные напряжения

Остаточными напряжениями называют такие внутренние напряжения, которые сохраняются в детали при снятии внешней нагрузки. Различают напряжения I, II и III рода.

Напряжения I рода имеют макроскопический характер, уравновешиваются они в пределах всего объема детали или большей части его. По своему действию напряжения I рода приравниваются к рабочим напряжениям и оказывают благоприятное или вредное влияние на работоспособность детали.

Напряжения II рода представляют собой местные кристаллические напряжения, охватывающие объем одного или нескольких зерен металла (межкристаллические напряжения).

Напряжения III рода уравновешиваются в пределах субмикроскопических объемов данного зерна, т.е. охватывают объем нескольких кристаллических ячеек.

Наиболее интересными с точки зрения долговечности детали, т.е. с точки зрения влияния состояния поверхностного слоя детали на долговечность, являются напряжения I рода, которые и рассмотрим подробнее.

Напряжения I рода могут быть технологическими и конструкционными. Конструкционные – при клепке, сборке. Технологические – от литья, ковки, сварки, резки, механической обработки и т.д. Напряжения I рода делятся на растягивающие (+) и сжимающие (–), кроме того, могут быть тангенциальные и осевые (_т и _о).

С физической точки зрения возникновение напряжений связано с необратимыми изменениями объема металла в зоне деформации, нагрева и т.д.

При пластическом деформировании уменьшается плотность и возрастает объем поверхностного слоя металла, а поскольку он связан с нижележащими недеформированными слоями металла, то в процессе обработки в наружном слое будут возникать сжимающие, а в нижележащих – растягивающие остаточные напряжения.

Следовательно, одной из причин возникновения остаточных напряжений в поверхностном слое деталей является пластическое деформирование.

Другими причинами возникновения остаточных напряжений могут быть:

• неравномерность пластической деформации поверхностных слоев и формирования в них остаточных напряжений сжатия;

• локализованный нагрев тонких поверхностных слоев в зоне резания и формирование в них остаточных поверхностных напряжений растяжения;

• фазовые превращения различных слоев металла, приводящих к образованию в них различных структур, обладающих различной плотностью и формирующих в этих слоях неодинаковые остаточные поверхностные напряжения различного знака.

Образование остаточных напряжений от действий силового фактора. Пластическая деформация металла поверхностного слоя приводит к изменению всех его физико-механических свойств, в том числе к уменьшению плотности удельного веса, а следовательно, к увеличению удельного объема. Увеличение объема металла распространяется только на глубину проникновения пластической деформации и не затрагивает нижележащих слоев. В результате в слое, прилегающем к поверхности, возникают сжимающие напряжения, а в нижележащих – напряжения растя­жения.

И

Рис. 120. Типичная схема рас­пределения остаточных напря­жений _т по глубине поверхностного слоя h («–» –

сжатие; «+» – растяжение)

наче это можно объяснить так: резец режет, поверхностные слои растягиваются настолько, что деформируются, а нижележащие слои упруго деформированы. После снятия нагрузки напряжения в упруго растянутой зоне будут стремиться сняться, но их снятию препятствуют пластически растянутые поверхностные слои; в результате внутренние слои частично упруго растянуты, а внешние слои упруго сжаты.

Итак, при условии, когда привалирует силовой фактор, в по­верх­­ностном слое формируется напряжение сжатия, а в нижележащих слоях – уравновешивающие их остаточные напряжения растяжения (рис. 120).

Влияние температуры резания на образование остаточных напряжений. Выделяющееся в зоне резания тепло мгновенно наг­ревает тонкие поверхностные слои металла до высоких температур. Металл в верхних нагретых слоях, стремясь к увеличению своего объема, встречает противодействие со стороны окружающего металла нижележащих слоев, это приводит к образованию напря­жений сжатия. При охлаждении объем верхних нагретых слоев металла стремится уменьшиться, однако сжатию препятствуют нижележащие слои хо­лодного металла. Вследствие этого под воздействием тепла, выделяющегося в зоне резания, в поверхностном слое образуются остаточные напряжения растяжения, а в нижнем – сжатия. Однако следует отметить, что формирование растягивающих напряжений под действием температуры может быть только в том случае, если внутренние напряжения, возникающие при нагреве, превзойдут по своей величине предел текучести данного ма­териала.

Методы определения остаточных напряжений. Остаточные напряжения определяют в основном двумя методами: механическим и рентгеноструктурным. Оба метода имеют свои достоинства и недостатки.

Преимущества рентгеноструктрного метода – объективность, отсутствие посторонних факторов, воздействующих на образец в процессе измерения, возможность определения напряжений без разрушения детали. Однако точность метода низкая и составляет 50 %.

Основным преимуществом механического метода является возможность быстрого получения более точного эпюра остаточных напряжений по глубине поверхностного слоя. Недостаток метода – требуется вырезка образцов из готовой детали, т.е. метод дорогой и разрушающий.

Существует еще несколько методов определения остаточных напряжений, например метод Давиденкова и метод Закса.

Измерение величины и характера распределения остаточных напряжений по глубине поверхностного слоя проводятся на вырезанных из деталей прямоугольных образцах (рис. 121) с помощью прибора ПИОН-2 при травлении поверхностного слоя по методу Н.Н. Давиденкова. Процесс определения остаточных напряжений механическим методом состоит из следующих этапов:

– вырезка, подготовка и крепление образца;

– электрохимическое травление;

– определение глубины залегания искомых остаточных напряжений с помощью регистрации деформации в процессе травления;

– расчет и построение эпюра остаточных напряжений.

Образцы вырезаются таким способом, чтобы операция вырезки не внесла дополнительных остаточных напряжений (электроискровой метод, вырезка шлифовальным кругом с большим охлаждением и малой подачей). Образцы для определения величины остаточных напряжений вырезаются электроэрозионным методом, например, из ободов дисков турбин (рис. 122).

Рис. 121. Схема установки образца в прибор ПИОН-2 для определения остаточных напря­же-

ний по методу Н.Н. Давиденкова

Образец помещается в установку АПООН. Перед помещением в установку на нижнюю поверхность образца наносят мастику для того, чтобы на этой поверхности не происходило деформаций. Затем образец зажимается по краям (см. рис. 121).

И

Рис. 122. Схема вырезки образцов для исследования осевых (1) и тангенциальных (2) остаточных напряжений в па-

­зах дисков турбин

сследуется верхняя обработанная поверхность образца. Образец помещается в электролит, а на обработанную поверхность устанавливается индикатор.

Снятие слоев материала происходит чаще путем электролитического травления. Состав электролита и режимы травления (напряжения, плотность тока, температура) подбираются из условия равномерного снятия металла, недопущения точечного разрушения поверхности и растравливания границ зерен. Напряжения изменяются от 2 до 30 В, плотность тока 10…30 амп/дм², температура электролита 20…60 °С. При травлении образец может деформироваться – сжиматься или растягиваться.

Запись прогиба образца осуществляется через индуктивный датчик. Эта запись передается на самописец, и на нем фиксируется зависимость прогиба от времени. Затем замеряется деформация по диаграмме снятия определенного слоя металла.

Напряжения подсчитываются по формуле:

 = ₁ + ₂ + ₃,

где ₁ – напряжение, снимаемое при вырезке образца;

₂ – напряжение, существующее в слое;

₃ – напряжение, возникающее в результате удаления слоя.

После проведения всех необходимых расчетов (автоматических) строится зависимость остаточных напряжений от глубины.