Учебное пособие 800138

окружающей средой (оксиды – толщиной 1–10 мкм); 3 – слой с изменённой кристаллической и электронной структурой (толщина нескольких межатомных расстояний): 4 – слой с измененными параметрами по сравнению с основным металлом; 5 – слой со структурой, фазовым и химическим составом, который возникает при обработке поверхности и изменяется в процессе эксплуатации.

Технологические внутренние напряжения, возникающие в поверхностном слое обработанной поверхности, могут быть растягивающими или сжимающими. Напряжения сжатия повышают предел усталости материала заготовки. Окончательную обработку поверхностей детали следует вести в таких условиях, чтобы получить напряжения сжатия. Установлено, что при обработке сталей напряжения сжатия возникают при скоростях резания более 300–500 м/мин, а режущий инструмент должен иметь отрицательный передний угол [9].

Остаточными напряжениями называют такие напряжения, которые существуют и уравновешиваются внутри твердого тела после устранения причин, вызвавших их появление. Технологические остаточные напряжения являются внутренними, поскольку они само уравновешиваются внутри детали или узла. Образование остаточных напряжений связано с неоднородными деформациями различных объемов материала детали. Если после снятия силового воздействия пластические деформации не устраняются, напряжения приобретают остаточный характер [8]. После механической обработки в различных зонах поверхностного слоя образуются остаточные напряжения сжатия (знак – ) и растяжения (знак +) (рис. 2).

19

Рис. 2. Характерная эпюра остаточных напряжений в поверхностном слое

2.ХАРАКТЕРИСТИКА НАКЛЕПА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ

Одновременно с формированием остаточных напряжений происходит наклеп поверхности. Наклеп – это упрочнение материала в результате упруго пластической деформации, сопровождающееся увеличением микротвердости, изменением структуры и фазового состава поверхностного слоя, при температуре ниже температуры рекристаллизации.

Микротвердость – это твердость малых участков (объёмов) материала и отдельных структурных составляющих, характеризует способность металла сопротивляться проникновению в него другого более твердого тела. Наклёп сопровождается увеличением микротвёрдости, снижением пластичности и ударной вязкости. Наклеп

характеризуется степенью Uн, градиентом Uгр и глубиной hн, которые вычисляются по наибольшей микротвердости

Глубина наклёпа измеряется методом косого среза (рис. 6) [7].

20

Рис. 3. График изменения микротвердости по глубине

Рис. 4. Связь наклепа с физическими процессами

3. ПРИЧИНЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

Остаточные напряжения классифицируют по протяженности силового поля. Такая классификация как напряжения I-го, II-го и III-го рода [8]. Напряжения I рода уравновешиваются пределах размеров детали, которые проявляются в короблении детали, обнаруживаются при её разрезке. Измеряются рентгенографическим способом или по

21

прогибу образцов-свидетелей [9]. Напряжения II рода уравновешиваются в объемах соизмеримых с размером зёрен и обнаруживаются по размытию линий на рентгенограммах. Напряжения III рода уравновешиваются в объемах кристаллической ячейкой и выражаются в ослаблении интенсивности линий высших порядков на рентгенограммах и в усилений диффузионного фона [10].

Источниками неоднородной пластической деформации детали могут быть неравномерное воздействие сил, температур и фазовых превращений.

Деформационные остаточные напряжения образуются в результате того, что объёмы металла ближе расположенные к источнику локальной деформации интенсивнее пластически деформируются и стремятся сохранить свои увеличенные размеры, а дальше расположенные от источника деформации объёмы металла препятствуют этому. В результате, ближе к источнику деформации возникают сжимаются остаточные напряжения, а далее расположенные объемы приобретают растягивающие напряжения. Поскольку наружный сжатый слой обычно имеет малую толщину, напряжения сжатия в нем достигают 5000 – 9000 МПа и превышают растягивающие напряжения во внутренних слоях. В ряде случаев они превышают предел текучести, возникает перенаклёп,

снижающий усталостную прочность детали.

Температурные остаточные напряжения

появляются при неравномерном распределении температуры по сечению детали. Величина и характер температурных напряжений зависят от скорости нагрева и охлаждения, от размеров, формы и жесткости детали, от коэффициентов теплопроводности и теплопередачи. Особенно большое значение имеет температура, с которой начинается охлаждение и скорость охлаждения, которая зависит от теплопроводности охлаждающей среды.

Остаточные напряжения при фазовых превращениях возникают вследствие неравномерных в объёме детали фазовых превращений. При нагреве сталей до температуры 720–750°С до эвтектоидного превращения, происходят фазовые превращения перлита и феррита в

22

аустенит, которые сопровождаются уменьшением удельного объема. При охлаждении до 200–35О°С происходит превращение аустенита в мартенсит, сопровождающееся увеличением удельного объема. Наружные объёмы металла охлаждаются быстрее, там указанные фазовые превращения происходят раньше и интенсивнее. В процессе охлаждения в наружных объёмах возникают сжимающие напряжения, а во внутренних объёмах – растягивающие. Если эти напряжения превышают предел текучести, то они становятся остаточными. По мере дальнейшего охлаждения всей детали распределение напряжений изменяется. Образующийся внутри объёма детали мартенсит будет растягивать наружные объёмы, уменьшая имеющиеся в нем остаточные напряжения сжатия. При определенной конструкции детали сжимающие напряжения могут быть переведены в растягивающие.

Остаточные напряжения при электрохимической обработке возникают в результате диффузии продуктов химических реакций по границам зерен в поверхностные слои детали. При электрохимической обработке диффузия форсируется и может проходить через объем нескольких кристаллов. Внедрение в кристаллическую решетку чужеродных атомов изменяет объем структурных элементов и вызывает появление структурных остаточных напряжений в поверхностном слое и реактивных – в сердцевине. При повышенных температурах происходит более интенсивный процесса диффузии продуктов химической обработки с возможностью образования растягивающих и сжимающих остаточных напряжений [9-11].

Остаточные напряжения при электролитическом осаждении могут быть растягивающими и сжимающими, в зависимости физико-механических свойств наносимого металла и его толщины; плотности тока; температуры электролиза, кислотности и состава электролита; наложения ультразвуковых и низкочастотных колебаний; состояния поверхности подложки. Тугоплавкие металлы (никель, кобальт, железо, хром), осаждаются с напряжениями

23

растяжения. Легкоплавкие металлы (цинк, кадмий, свинец), осаждаются с напряжениями сжатия. Металлы с промежуточной температурой плавления (медь, серебро и др.) склонны в зависимости от условий процесса осаждения к напряжениям обоих знаков.

Остаточные напряжения при механической обработке (точение, фрезерование, шлифование и др.) могут быть сжимающими и растягивающими, в зависимости от вида обработки, геометрии и материала инструмента, режимов обработки [3–5]. Возникновение остаточных напряжений при механической обработке лезвийным инструментом связано с нагреванием поверхностных слоев, силовым воздействием инструмента, пластической деформацией с трением. Одновременно с процессом упрочнения протекает противоположный ему процесс разупрочнения, который стремится возвратить металл поверхностного слоя в исходное, ненаклепанное состояние. Интенсивность процесса разупрочнения полностью определяется значением температуры и временем ее воздействия на металл поверхностного слоя. Если режим резания или другие условия обработки изменяются таким образом, что количество теплоты, генерируемой в зоне резания, возрастает, то следует ожидать уменьшения степени и глубины наклепанного слоя. При высокой температуре в зоне резания и достаточно продолжительном ее воздействии процесс разупрочнения может быть настолько интенсивным, что наклеп в поверхностном слое полностью снимается. Степень и глубина упрочнения зависят от скорости резания, подачи, геометрии инструмента и величины его износа. По мере увеличения скорости резания до определенных пределов глубина наклепа возрастает.

Остаточные напряжения после сварки возникают в результате температурных напряжений, неоднородных структурных превращений в сварном шве и зонах термического влияния, влияния химических элементов на сварной шов и окружающие объёмы. [8]

24

Остаточные напряжения после закалки

вызываются неоднородным температурным полем, зависит от скорости охлаждения, химического состава металла, режима

закалки, исходного состояние поверхностного слоя.

Остаточные напряжения при азотировании возникают в основном сжимающего характера за счет образования фаз с увеличенным удельным объемом [8]. Под азотированным слоем напряжения становятся растягивающими. После азотирования детали дальнейшей термической обработке не подвергают, и охлаждение по окончании процесса азотирования происходит медленно, поэтому тепловые остаточные напряжения в этом случае практически минимальны.

4. ИЗМЕРЕНИЕ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

Остаточными напряжениями называются напряжения, существующие в деталях при отсутствии внешних воздействий (силовых и температурных). Остаточные напряжения можно классифицировать по признакам протяженности силового поля и по физической сущности. Общепринятой является классификация по протяженности силового поля. Напряжения 1-го рода - макронапряжения, охватывающие области, соизмеримые с размерами детали; эти напряжения имеют ориентацию, связанную с формой детали. Напряжения 2-го рода - микронапряжения, распространяющиеся на отдельные зерна металла или на группу зерен. Напряжения 3-го рода - субмикроскопические, относящиеся к искажениям атомной решетки кристалла, ориентация их связана со структурой атомной решетки

Остаточные напряжения характеризуются величиной, знаком (напряжения растяжения и сжатия) и глубиной залегания. Основными методами определения остаточных напряжений являются механические и рентгеновские, а также электрофизические методы.

Механические методы основаны на предположении, что разрезка или удаление части детали с остаточными

25

напряжениями эквивалентны приложению к оставшейся детали, на вновь появившихся поверхностях, напряжений, обратных остаточным. Эти обратные напряжения вызывают деформацию детали или усилия в устройствах, препятствующих деформации. Измеряя возникшие деформации (деформационными методами) или силы реакций (силовыми методами), можно вычислить остаточные напряжения.

Различия механических методов определения остаточных напряжений заключаются: а) в форме образцов (или деталей, если образцы не вырезаются); б) в предположениях относительно закона распределения остаточных напряжений, вытекающих из теоретического анализа деформаций при изготовлении; в) в способе измерений деформаций образца или реакций опор, способных устранить эти деформации.

Наиболее широкое применение для вырезки образцов нашли методы электроэрозионной прошивки. Для вырезки образцов из больших деталей или деталей из пластмасс применяют механическую разрезку на чистовых режимах при обильном охлаждении с последующим стравливанием с вновь образованных поверхностей слоя толщиной 0,2 мм.

Наиболее распространенными методами удаления напряженных слоев металла при исследовании остаточных напряжений является электролитическое и химическое травления. Поверхности образца, не подлежащие стравливанию, и детали подвески защищаются покрытиями, стойкими при данной температуре.

Осевые остаточные напряжения в призматических стержнях прямоугольного сечения определяются на образцах в виде стержней прямоугольного сечения. Они широко используются для исследования влияния различных технологических факторов, в частности, методов обработки поверхности на эпюры остаточных напряжений при одноосном напряженном состоянии, а также для определения

26

нормальных остаточных напряжений в поверхностном слое вдоль прямолинейных образующих.

Экспериментальные значения о определяются по величине прогиба fв плоского образца (размером 100×13×1,2

мм), изготовленного из того же материала что и деталь, по той же технологии, по известной формуле [2]

толщина образца; lи - длина базы измерения прогиба.

Пример измерения деформации fв прямоугольных призматических образцов-свидетелей при вырезке или снятии из приспособления после обработки приведен на рис. 4.

Рис. 5. Измерение прогиба fв на длине lв

5. ИЗМЕРЕНИЕ СТЕПЕНИ И ГЛУБИНЫ НАКЛЕПА

Глубину проникновения наклепа определяется путем измерения микротвердости на косых срезах образцов (рис. 6). Косые срезы выполняют в специальном приспособлении,

обеспечивающем получение угла в пределах от 1 до 30 на плоско-шлифовальном станке при обильном охлаждении и

27

минимальных подачах, исключающих внесение дополнительного наклепа на косой срез. Затем изготавливаются шлифы срезов. При этом для обеспечения четкой границы между исследуемой поверхностью и косым срезом (из точки А) образец заливают сплавом Вуда или эпоксидной смолой в приспособлении для полирования. Измерения микротвердости следует проводить по трем линиям. Микротвердость на некотором расстоянии х0 определяется как среднее арифметическое из трех замеров. Глубина расположения точки измерения микротвердости

определяются по соотношению h=x sin . Для определения толщины наклепного слоя hн необходимо найти то значение х0, которое соответствует ненаклепанному материалу с

постоянной микротвердостью Н. Тогда hн=xo sin .

Рис. 6. Схема измерения микротвердости на косом срезе образца

Измерения микротвердости рекомендуются для определения микротвердости отдельных структурных составляющих сплавов; тонких поверхностных слоев, покрытий, тонких листовых материалов (фольги); для определения неоднородности микротвердости на отдельных

28