Остаточные напряжения

напряжений после термической обработки рассматривается в рабо­ тах [7], [61], [77].

В некоторых случаях проводится специальная термическая об­ работка для создания благоприятных остаточных напряжений в поверхностпых слоях детали. Она заключается в нагреве до невы­ сокой температуры (300—600° С) с последующим быстрым охлажде­ нием. В процессе охлаждения в поверхностных слоях возникает пластическая деформация растяжения, и после выравнивания тем­ пературного поля появляются остаточные напряжения сжатия (фиг. 31) [95]. Исследованию вопроса посвящены работы [99], [114].

Интересно отметить, что термическая обработка для создания остаточных напряжений сжатия в поверхностных слоях является основным методом повышения механической прочности стекла [123].

о го ьо бо во о го ио бо во о го ъопй2см*

Фиг. 31. Остаточные напряжения после нагрева п охлаждения.

При закалке т. в. ч. в поверхностных слоях обычно получаются сжимающие остаточные напряжения, что повышает прочность де­ талей при действии переменных напряжений.

Следует отметить, что на границе закаленного слоя (например, возле галтелей) наблюдается понижение прочности.

Е. Значительные остаточные напряжения могут возникать после механической обработки (точения, фрезерования, шлифо­ вания и др.).

Особенность этпх остаточных напряжений состоит в том, что они действуют практически только в поверхностных слоях глубиной в несколько десятых миллиметра. Однако, как показывает опыт эксплуатации, остаточные напряжения в поверхностном слое могут повлиять на прочность всей детали, особенно при действии пере­ менных напряжений.

Два основных фактора вызывают возникновение остаточных на­ пряжений — пластическая деформация при силовом воздействии и нагревание поверхностных слоев.

На фиг. 32 показана пластическая деформация поверхностного слоя при резании (по данным П. Д. Беспахотного). Возле вершины резца при силовом воздействии возникает пластическая деформация растяжения, и после снятия усилия в поверхностном слое обра­ зуются остаточцые напряжения сжатия.

Как уже отмечалось, мартенситное превращение происходит при увеличении объема, что может компенсировать уменьшение объема при пластической деформации сжатия. Указанное обстоя-

Фиг. 35. Остаточные напряжения после шлифования стали Х17Н2

Од = НО -т- 130 кГ/мм2.

тельство может привести к образованию остаточных напряжений сжатия. Однако в практических случаях влияние температурных

ЭИ437 («Нимоник-80»).

На основании ряда экспериментальных исследований можно считать, что после шлифования в поверхностных слоях возникают растягивающие остаточные напряжения 40—80 кГ/мм2 (на глу­ бине 20—50 и«к).

при повышенной температуре). Если, например, для детали из угле­ родистой стали марки 15 необходимо уменьшить остаточные напря­ жения до 5 кГ!мм2, то достаточно нагреть ее до 700° С, когда предел текучести ат 4 кГ1мм2. При этом предполагается, что охлаждение

будет настолько равномерным, что вторичные остаточные напряже­ ния не возникают.

Однако выбор температуры отжига или отпуска для снятия оста­ точных напряжений по пределу текучести является условным, так

Величина предела ползучести уменьшается при увеличении тем­ пературы и времени выдержки, причем увеличение температуры сказывается более резко.

Например, для хромомолибденовой стали ЭИ454 одно и то же значение предела ползучести (сг0|2/т = 2,5 кГ/мм2) достигается при температуре выдержки 575° С за 50 ч, а при температуре 600° С за 10 ч [75].

В условии (42) указан предел ползучести, соответствующий остаточной деформации 0,2%. Предварительные деформации, вы­ зывающие остаточные напряжения обычно меньше этой величины. Для некоторого «запаса» при выборе температуры и времени отжига целесообразно ориентироваться на пределы ползучести, соответ­ ствующие деформации 1%. Следует отметить, что условие (42) является достаточным, но не необходимым. В ряде случаев остаточ­ ные напряжения могут быть снижены за счет объемных изменений при структурных превращениях в процессе отжига.

Б. Рассмотрим вопрос о релаксации остаточных напряжений. Релаксацией называется уменьшение напряжений, вызванное пол­ зучестью материала.

Свойство ползучести, проявляющееся в материалах при сравни­

тельно высоких относительных температурах — ( t-пл — температура trui

плавления), заключается в непрерывном росте пластической дефор­ мации с течением времени при постоянных напряжениях.

Скорость деформации ползучести (в установившейся стадии)

где коэффициенты В и т зависят от материала и температуры. Зна­ чения указанных коэффициентов приведены в работах [90], [100].

Представим равенство (49) в такой форме:

где т* — безразмерное время!

гТЛ

F1

Снижение остаточных напряжений в зависимости от времени (безразмерного) показано на фиг. 38. Для конструкционных мате­

торых случаях он происходит и при нормальной температуре. Отметим следующее важное обстоятельство. Изменение напряжен­ ного состояния тела (например, вследствие релаксации остаточных напряжений) приводит к появлению деформаций и перемещений. С этим связано возможное коробление деталей в процессе отжига,

в процессе эксплуатации или даже хранения.

Иногда релаксация напряжений приводит к неблагоприятному перераспределению остаточных напряжений, что при некоторых условиях может вызвать внезапное хрупкое разрушение. Известны случаи разрушения или появления трещин в процессе хранения деталей.

Изменение остаточных напряжений со временем может быть связано не только с процессом ползучести, но и с действием внешних нагрузок на деталь, особенно переменных. Эти вопросы рассматри­ ваются в следующей главе.

ВЛИЯНИЕ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ НА ПРОЧНОСТЬ ПРИ СТАТИЧЕСКИХ И ПЕРЕМЕННЫХ НАГРУЗКАХ

На основании практического опыта в различных областях тех­ ники выявилось сильное влияние остаточных напряжений на надеж­ ность и долговечность конструкций. Разрушения при низком уровне действующих напряжений в первые часы эксплуатации часто ока­ зывались связанными с неблагоприятным распределением остаточных

напряжений.

Основная задача последующего изложения — выявить главным образом принципиальный характер закономерностей влияния оста­ точных напряжений на прочность.

5. ВЛИЯНИЕ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ НА ПРОЧНОСТЬ ПРИ СТАТИЧЕСКИХ НАГРУЗКАХ

А. В рабочих условиях на деталь действуют остаточные напряже­ ния и напряжения от внешних нагрузок.

Если материал работает в области упругих деформаций, то сум­ марные напряжения получаются сложением остаточных напряжений и напряжений от внешних нагрузок.

Один из основных вопросов статической прочности — опреде­ ление разрушающего усилия. Статическому разрушению детали обычно предшествует пластическая деформация, и принцип сложе­ ния оказывается непригодным.

Рассмотрим определение разрушающего усилия при наличии остаточных напряжений.

На фиг. 39 показан простой пример конструкции с остаточными напряжениями. Пусть внешняя деталь имеет первоначальный зазор б, который выбирается с помощью монтажной сжимающей силы, и стык заваривается. Конструкция получит остаточные напряжения, компенсирующие первоначальную деформацию

На фиг. 40 дан графический метод определения остаточных уси­ лий во внешнем и внутреннем стержне (для упрощения принято,