Остаточные напряжения.-1

Особенность этих остаточных напряжений состоит в том, что они действуют практически только в поверхностных слоях глубиной в несколько десятых долей миллиметра. Возникно­ вение остаточных напряжений связано с пластической дефор­ мацией при воздействии режущего инструмента и нагреванием поверхностных слоев выделяющейся теплотой резания. При силовом воздействии инструмента возникает пластическая де­ формация растяжения, и после снятия этого воздействия в по­ верхностном слое образуются остаточные напряжения сжатия.

Пластическая деформация металла вызывает уменьшение его плотности, а следовательно, обусловливает рост удельного объема, достигающего 0,3-0,8% удельного объема до пластиче­ ской деформации. Это увеличение объема распространяется на глубину проникновения пластической деформации. Увеличению объема пластически деформированного металла препятствуют нижележащие слои. В результате этого в наружном слое возни­ кают сжимающие, а в нижележащих слоях— растягивающие остаточные напряжения.

Кроме того, режущий инструмент вытягивает кристалличе­ ские зерна слоя металла под режущим клином в направлении ре­ зания. Этому способствует трение на задней поверхности инст­ румента. После прекращения резания и удаления режущего ин­ струмента пластически растянутые верхние слои, связанные как

единое целое с нижележащими слоями, приобретают остаточные напряжения сжатия, ориентированные по направлению резания. Соответственно этому в нижележащих слоях развиваются урав­ новешивающие их остаточные напряжения растяжения. В на­ правлении подачи протекают аналогичные процессы, вызываю ­ щие возникновение осевых остаточных напряжений.

Выделение тепла в процессе резания (вследствие работы деформации и трения) приводит к большим температурным гра­ диентам и температурным напряжениям, которые могут превос­ ходить предел текучести материала. После установления нор­ мальной температуры в поверхностных слоях детали происходит деформация сжатия. Этому препятствуют нижележащие слои. В результате в поверхностных слоях появляются растягивающие остаточные напряжения, а в нижележащих — напряжения сжа­ тия, уравновешивающие растягивающие напряжения.

Таким образом, два основных фактора при резан и и — си­ ловой и температурный — действуют в противоположные сто­ роны, что и объясняет существенную зависимость величины и знака остаточных напряжений от технологического режима об­ работки.

При точении остаточные напряжения возникают под влия­ нием одной из указанных выше причин или в результате одно­ временного воздействия всех или части этих причин. Оконча-

тельная величина и знак остаточных напряжений после точения зависят от степени воздействия каждой из причин, участвующих в формировании напряжений.

Влияние скорости резания при точении проявляется в изме­ нении теплового воздействия и в изменении продолжительности теплового и силового воздействия на металл инструмента. Поэтому повышение скорости резания при точении способствует появлению дополнительных растягивающих напряжений, которые увеличива­ ют общую величину остаточных напряжений растяжения.

При обработке малопластичных материалов, при которой формируются остаточные напряжения сжатия, повышение ско­ рости резания приводит к уменьшению сжимающих и даже обра­ зованию растягивающих напряжений.

При обработке пластичных материалов, воспринимающих закалку, увеличение количества теплоты в зоне резания, связан­ ное с повышением скорости резания, может привести к закалке поверхностного слоя. Увеличение удельного объема металла по­ верхностного слоя при его закалке приводит к снижению оста­ точных напряжений растяжения, формирующихся при малых скоростях, и превращению их в напряжения сжатия при обработ­ ке на больших скоростях резания.

При точении закаленных материалов увеличение нагревания поверхностного слоя при увеличении скорости резания может вы­

звать отпуск. Вследствие отпуска происходят структурные изме­ нения, связанные с уменьшением удельного объема металла, что приводит к снижению остаточных напряжений сжатия.

Увеличение подачи при обработке пластичных сталей, на­ пример, жаропрочных, у которых формируются остаточные рас­ тягивающие напряжения, приводит к росту пластической дефор­ мации поверхностного слоя и соответствующему росту остаточ­ ных напряжений растяжения. При точении малопластичных материалов увеличение подачи вызывает увеличение остаточных напряжений сжатия, а при обработке малопластичных закаленных сталей— их снижение. Возрастанию остаточных напряжений сжатия при точении малопластичных сталей способствует также увеличение отрицательных значений передних углов резца.

Износ резца приводит к увеличению пластической деформа­ ции поверхностного слоя металла и глубины ее проникновения. Поэтому при точении пластичных материалов происходит увели­ чение остаточных напряжений растяжения, а при точении мало­ пластичных материалов — увеличение сжимающих напряжений.

В процессе шлифования решающее влияние на образование остаточных напряжений оказывает тепловой фактор. Поэтому в поверхностном слое в процессе шлифования возникают сжимаю­ щие температурные напряжения. Указанные напряжения превос­ ходят предел текучести материала и вызывают пластическую де­

формацию сжатия. После окончания процесса шлифования и ус­ тановления нормальной температуры эта деформация сохраняет­ ся, что приводит к растяжению поверхности со стороны внутрен­ них слоев, т.е. к образованию растягивающих остаточных напря­ жений. Пластическая деформация, связанная с усилием резания, при шлифовании имеет второстепенное значение. Изменение ус­ ловий шлифования, приводящее к повышению температуры реза­ ния, приводит к росту остаточных напряжений растяжения или снижению остаточных напряжений сжатия.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

При определении остаточных напряжений используется теория стержней, основанная на гипотезе плоских сечений. Ос­ таточное напряженное состояние предполагается одноосным. Ниже приводится краткое описание различных методов опреде­ ления остаточных напряжений.

2.1.Метод замера прогибов

Вданном методе для определения остаточных напряжений используются стержни прямоугольного сечения, которые выреза­ ются из деталей сложной конфигурации. Остаточные напряжения в таких образцах действуют вдоль оси стержня, так как остаточные напряжения по боковым поверхностям после вырезки снимаются и остаточное напряженное состояние становится одноосным. При определении остаточных напряжений в стержне предполагают, что за исключением небольших областей у концов остаточные напря­ жения постоянны по длине стержня. В концевых областях остаточ­ ные напряжения постепенно уменьшаются, и на торцах стержня они становятся равными нулю. В концевых областях имеет место сложное напряженное состояние, что известно как краевой эффект.

Обычно протяженность зоны краевого эффекта, как правило, не превышает высоты сечения h.

Для определения остаточных напряжений будем посте­ пенно удалять слой материала ABCD (рис. 2.1), находящийся в зоне постоянных по длине стержня напряжений. Эти напряже­ ния будем предполагать положительными (растягивающими). В цельном стержне они действовали по граням АВ и CD. Уда­ ление слоя металла ABCD эквивалентно приложению к этим граням равных и противоположно направленных напряжений. Предполагается также, что продольные волокна друг на друга

не давят и поэтому поверхность BD свободна от напряжений.

Определим остаточные напряжения а(а), действующие в стержне на расстоянии а от верхней грани стержня (рис. 2.2). В результате удаления полосы толщиной а в рассматриваемой

площадке возникнут дополнительные напряжения aD(а) (при

выводе эти напряжения предполагаются положительными), и ре­ зультирующее напряжение в слое, отстоящем на расстоянии а ,

окажется равным

Напряжение o'*(а), существующее в слое а после удале­ ния всех предыдущих слоев, может быть определено следующим образом (рис. 2.3).

Срежем бесконечно тонкий слой толщиной da. Это экви­ валентно приложению к стержню длиной / дополнительных сил,

равных dN= ст *(а) b da,

где b — ширина поперечного сечения стержня. Эти силы дают по концам стержня моменты

dM = dN 1?—!L

2

в результате действия которых стержень изогнется. Следова­ тельно, определив прогиб, например, экспериментально, можно найти величины вызвавших этот прогиб моментов, а по величине этих моментов определить соответствующее напряжение.

Если к концам стержня приложены моменты М, то прогиб в

момента dM прогиб df в соответствии с приведенной выше за­ висимостью будет равен

Рис.2.1. Схема выявления остаточных напряжений путем последова­

тельного удаления слоев металла с поверхности стержня

Следовательно, напряжение, действующее в слое перед его удалением, пропорционально отношению приращения прогиба df к толщине снятого слоя da.

Как видно из (2.1), а(а) = а (a)~aD(a). Для определения

истинного остаточного напряжения в слое а (существовавшего в этом слое в исходном состоянии образца до среза предыдущих слоев) надо вычислить дополнительное напряжение в этом слое ст0 (а), возникшее в результате удаления предыдущих слоев.

Пусть в данный момент удаляется слой db, на расстоянии £ от верхней грани стержня (рис. 2.4).

В результате удаления этого слоя на стержень с высотой

возникнут напряжения изгиба от момента dM-

daH= dM с / / ,

где I = b(h-^f / 12,