Остаточные напряжения

составляла 0,75 мм), В полых образцах в значительной мере сни­ мались остаточные напряжения.

Подобная методика использовалась и в более поздних исследо­ ваниях [64], [135]. Тум и Баутц пришли к выводу, что при изгибе главное значение имеют остаточные снимающие напряжения, тогда

факторов: остаточных сжимающих напряжений и упрочнения по­ верхностного слоя.

предельные напряжения для материала напряжения от внешних нагрузок

Фиг. 49. Влияние сжимающих остаточных напряжений на усталостную прочность при изгибе гладких деталей и деталей с концентрацией напряжений:

а — детали бее наклепа; 6 — детали с наклепом.

Рассмотрим некоторые общие соображения о влиянии на уста­ лостную прочность остаточных напряжений и упрочнения поверх­ ностного слоя (фиг. 49). Будем считать, что разрушение наступает, когда переменные напряжения от внешних нагрузок оказываются равными пределу усталости материала.

После наклепа поверхности предел усталости поверхностных

слоев возрастает (о—i > сг_А), так как остаточные сжимающие на­ пряжения и наклеп материала повышают предел усталости.

В результате разрушение будет происходить при более высоком уровне внешних напряжений, причем приращение этих напряжений Ао0 при наличии концентрации напряжений будет существенно больше, чем для гладких образцов. Последнее объясняется тем, что зона упрочнения материала при наклепе и зона концентрации напряжений мало отличаются друг от друга. Однако ряд экспери­ ментальных фактов (например, наблюдающееся в некоторых слу­ чаях значительное возрастание прочности гладких образцов при обдувке дробью, см. фиг. 47) не объясняется приведенной схемой.

Здесь следует учесть, что поверхностный слой детали обычно ослаблен из-за наличия микроконцентраторов напряжений, струк­ турных и фазовых изменений, отклонений по химическому составу. Ослабление поверхностного слоя может быть связано с нали­ чием остаточных напряжений от механической или термической

обработки.

В этих случаях обкатка или обдувка дробью поверхности дает существенное возрастание усталостной прочности даже для глад­ ких образцов. Упрочнение поверхностного слоя происходит за счет создания сжимающих остаточных напряжений, повышения предела текучести (и, следовательно, предела усталости) после пластической деформации и устранения «геометрических» источников концентра­ ции в виде рисок и т. п.

Г. При термической обработке в детали, особенно в поверхност­ ных слоях, создаются остаточные напряжения.

Экспериментальные исследования показали, что сжимающие остаточные напряжения после термообработки повышают предел выносливости детали (образца). Для гладких образцов это повышение составляет 10—30%, для образцов с надрезом ЕО—£0%.

Сжимающие остаточные напряжения могут быть созданы путем быстрого охлаждения после нагрева до температуры ниже крити­ ческой (например, при нагреве конструкционных сталей до темпе­ ратуры 600° и охлаждения в воде).

. При правильном использовании поверхностной закалки с нагре­ вом т. в. ч. в поверхностных слоях создаются сжимающие остаточные напряжения. Их благоприятный эффект особенно сильно сказы­ вается для деталей с концентрацией напряжений и для деталей с прессовой посадкой (предел выносливости повышается на 70—

200%).

В зонах, где наблюдается обрыв закаленного слоя (например, в галтелях шеек коленчатых валов), возникают остаточные напря­ жения, растяжения, и усталостная прочность этих мест падает на 20—30%. Указанные зоны при поверхностной закалке для деталей с высоким уровнем" переменных напряжений следует упрочнять.

Остаточные сжимающие напряжения образуются при цемендации и азотировании. Эти процессы обычно повышают усталостную прочность1, особенно деталей с концентрацией напряжения [63], [115], [117], что объясняется также и повышением предела уста­ лости поверхностного слоя при увеличении его твердости.

Процесс цементации часто используется для повышения вынос­ ливости и износостойкости зубьев ответственных шестерен при контактных напряжениях.

1 Этот вывод следует применять с известной осторожностью, так как после химико-термической обработки детали обычно проходят окончательную меха­ ническую обработку (шлифование, полирование, притирку), которая вносит свои остаточные напряжения.

Следует, однако, иметь в виду, что при цементации и азотирова­ нии получается очень твердый и хрупкий поверхностный слой, кото­ рый может получить растрескивание при действии значительных статических нагрузок. В этом случае усталостная прочность детали резко снижается.

Эксперименты показывают [64], что дробеструйная обработка после цементации при азотировании не дает дальнейшего повышения прочности при переменных на­ пряжениях. Однако такая обра­ ботка в некоторых случаях может быть полезна для устра­ нения растягивающих остаточ­ ных напряжений и некоторых дефектов после шлифования.

Отметим, что такие дефекты, как сетка трещин и прижоги при шлифовании, не могут быть устранены наклепом.

Остаточные напряжения в поверхностных слоях образу­ ются также при гальванических покрытиях.

При никелировании возни­ кают растягивающие остаточные напряжения и пределы выно­ сливости деталей уменьшаются обычно на 10—30%, причем

большие значения относятся к сталям повышенной прочности [64]. Несколько меньшие снижения пределов выносливостп полу­ чаются при хромировании и омеднении. При цинковании усталост­ ная прочность не изменяется, при кадмировании несколько возра­ стает. Отметим, что для силовых деталей, работающих при темпера­ туре больше 200° С, кадмцрование применять нельзя, так как на­ блюдается резкое понижение прочности из-за эффекта Ребиндера. Д. Остановимся на вопросе о влиянии остаточных напряжений

при сварке на усталостную прочность конструкции.

Известно, что сварное соединение при достаточной пластичности основного металла и шва не понижает статической прочности кон­ струкции, однако оказывает отрицательное влияние на выносливость.

В качестве примера рассмотрим экспериментальное исследова­ ние усталостной прочности гладких образцов и образцов с прива­ ренными втулками (фиг. 50) [64].

Для исследования была взята малоуглеродистая сталь (0,11% С; 0,58% Мп; 0,32% Si) с пределом прочности ов = 41 кГ/мм2. К ра­ бочей части образца были приварены два полукольца с наружным диаметром 35 мм. В опытах выявлено существенное понижение уста­

Растягивающие остаточные напряжения после сварки (и концен­ трация напряжений, вносимая сварным соединением) существенно понижают усталостную прочность. Это затрудняет использование обычных методов сварки для ответственных соединений, подвер­ гающихся действию высоких переменных напряжений. При действии статических напряжений или небольших переменных условия для применения сварных соединений более благоприятны.

Е. На основании экспериментальных исследований и практи­ ческого опыта устанавливается, что сжимающие остаточные напря­ жения повышают усталостную прочность, тогда как растягиваю­ щие остаточные напряжения действуют неблагоприятно.

Влияние остаточных напряжений па выносливость зависит от механических свойств материала и характера напряженного состоя­ ния. При значительных сжимающих напряжениях в поверхностном олое увеличение усталостной прочности проявляется в большей степени для менее пластичных материалов и при концентрации на­ пряжений.

При резком изменении величины и знака остаточных напряжений в поверхностных слоях, что свойственно некоторым видам механи­ ческой обработки, фактором, определяющим обычно усталостную прочность детали, являются остаточные напряжения в поверхно­ стном слое глубиной 10—20 мк.

Следует также иметь в виду, что влияние остаточных напряже­ ний на выносливость может не проявиться, если в процессе нагру­ жения имелось хотя бы несколько циклов повышения напряжений, при которых возникают пластические деформации, снимающие оста­ точные напряжения.

ГЛАВА 3

ОБЩИЕ ОСНОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИИ

При всем многообразии механических методов определения оста­ точных напряжений, используемых на практике, существуют не­ которые общие принципы, лежащие в их основе.

7. ОСНОВНОЙ ПРИНЦИП И ОБЩАЯ ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Пусть имеется тело, в котором существуют остаточные напряже­ ния. На фиг. 51 показаны напряжения в площадках, лежащих в пло­ скости I (для простоты касательные напряжения опущены).

Фиг. 51. Иллюстрация, основного принципа опреде­ ления остаточных напряжений:

1 — остаточные напряжения; 2 — остаточные напряжения «эквивалентные» разреэу.

В соответствии с принципами механики сплошной среды можно отбросить часть тела Б и приложить но поверхности сечения дей­ ствующие в теле напряжения. Тогда оставшаяся часть тела (часть А\ окажется в прежних условиях, так как величина усилий, существо­ вавших на поверхности /, не изменилась.

Если проводится действительное сечение (например, часть Б сфрезеровывается), то поверхность I полностью освобождается от напряжений.

Тогда можно считать, что к поверхности сечения прикладываются внешние напряжения, равные по величине, но противоположные па

Таким образом, деформацию стержня после среза заделки (уве­ личение длипы от I до k) можно представить как результат прило­ жения к поверхности среза напряжений, равных по величине и про­ тивоположных по знаку остаточным напряжениям. Для краткое^ эти напряжения будем называть обратными остаточными напря­ жениями.

Рассмотрим общую постановку задачи в механических методах определения остаточных напряжений.

При срезе некоторых частей тела в оставшейся части возникают деформации (и перемещения).

В соответствии с основным принципом эти деформации проис­ ходят от приложения по поверхностям среза обратных остаточных напряжений.

Задача состоит в следующем: по известной совокупности значе­ ний перемещений (или деформаций) определить вызвавшие их на­ пряжения на поверхности среза. Не останавливаюсь на математи­ ческой стороне вопроса, укажем, что такая задала для упругого

и для упруго-пластического тела принципиально может быть, решена.

Приведем пример решения в одном из простых случаев. Пусть в круглой пластинке остаточные напряжения распределены симмет­ рично относительно оси вращения и постоянны по толщине (фиг. 53). Если удалить (или отрезать) внешнюю часть пластинки при г > сг то поверхность среза будет представлять собой цилиндрическую* поверхность радиуса с. Сделаем кольцевую риску, расположенную вблизи поверхности (на радиусе а), и проследим за изменением ее

увеличился на величину А, тогда напряжение растяжения на поверх­ ности радиуса с, которое могло бы вызвать указанное перемещениег

Если на внешнем радиусе пластинки приложено напряжение а, то оно вызывает во всех точках пластинки радиальные и окружные*

напряжения

от= Се = а.

В связи с этим

■ ^ = - 1 . ( < т , - ( I * ) =

Если после отрезки внешней части пластинки радиус кольцевой риски увеличивается, то в целой пластинке на поверхности среза существовали сжимающие напряжения.

Статическая {уравновешенность усилий на полной поверхности среза

Так как остаточные напряжения существуют в теле независима от внешних сил, то они образуют статически уравновешенную си­ стему усилий и моментов (на полной поверхности среза). Особо от­ метим, что если при срезе образуются две поверхности, то главный вектор и главный момент остаточных напряжений на каждой из

для полной поверхности среза равнодействующие усилия и моменты обращаются в нуль.

Сказанное иллюстрируется также на примере разрезки кольца (фиг. 56), где при разрезке образуются две поверхности среза.

Принцип Сен-Венана

Этот общий принцип теории упругости часто используется для обоснования методов определения остаточных напряжений. Он со­ стоит в следующем.

Если к некоторой (небольшой) части поверхности тела прило­ жена самоуравновешенная система сил, то напряжения и деформа­ ции, вызванные этой системой, становятся пренебрежимо малыми на расстояниях, соизмеримых с линейными размерами нагруженногоучастка поверхности. Принцип Сен-Венана не доказан в общем виде, однако он хорошо подтверждается на примере ряда задач* для которых получено точное решение.

Принцип Сен-Венана излагается в большинстве современных ру­ ководств по теории упругости, более подробное изложение можно найти в работе [41].

ГЛАВА 4

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В СТЕРЖНЯХ

При определении остаточных напряжений используется обычная теория стержней, основанная на гипотезе плоских сечений. Остаточ­ ное напряженное состояние предполагается одноосным.

9. СТЕРЖНИ ПРЯМОУГОЛЬНОГО СЕЧЕНИЯ (МЕТОД ЗАМЕРА ПРОГИБОВ)

А. Стержни прямоугольного сечения (фиг. 57) часто применяют как образцы, которые вырезаются из деталей более сложной конфи­ гурации.

Остаточные напряжения в таких образцах действуют вдоль оси стержня. После вырезки снимаются остаточные напряжения по бо­ ковым поверхностям, и остаточное напряженное состояние становится одноосным. Поэтому остаточные напряжения в образце часто не характеризуют первоначальные напряжения, но их исследование необходимо для полного определения остаточных напряжений.

Рассмотрим остаточные напряжения в стержне. Будем предпо­ лагать, что за исключением небольших областей у концов остаточ­ ные напряжения постоянны по длине стержня.

В концевых областях (области II на фиг. 58) остаточные напряже­ ния постепенно уменьшаются, и на торцах стержня они становятся равными нулю. В концевых областях возникает сложное напряжен­ ное состояние. На фиг. 58 показано распределение касательных и нормальных напряжений в продольном сечении, отстоящем на не­ котором расстоянии от верхней грани. Обычно протяженность зоны краевого эффекта не превышает высоты сечения h.

Для определения остаточных напряжений будем постепенно уда­ лять слой материала ABCD (фиг. 59), причем этот слой должен на­ ходиться в зоне постоянных (по длине) напряжений. Неизвестные напряжения будем предполагать положительными (растягивающими). Они действовали по граням АВ и CD, и потому удаление области эквивалентно приложению к этим граням равных по величине, но противоположно направленных напряжений. Предполагается, что остаточные напряжения действуют в площадках, перпендикуляр­ ных к оси стержня, и потому поверхность ВС не должна быть за-