книги из ГПНТБ / Макаров, А. Д. Износ инструмента, качество и долговечность деталей из авиационных материалов учебное пособие

показаниях доходит до 80 и более микрон. Между данными рент­ геноструктурного анализа и расчетными данными наблюдается большая сходимость результатов, что объясняется тем, что рент­ геновский метод выявляет большую глубину наклепанного слоя, чем метод измерения микротвердости.

В заключение следует отметить, что зависимости (12.4) и (12.7) могут быть рекомендованы для практического использова­ ния лишь в качестве первого приближения.

Физико-механические свойства металла поверхностного слоя

В результате пластического деформирования металл поверх­ ностного слоя приобретает новую структуру и свойства. Зна­ ние и учет физико-механических параметров наклепанного по­ верхностного слоя необходимы при проектировании и прочност­ ном расчете деталей, при выборе рационального технологического процесса их изготовления, при расчете остаточных и температур­ ных напряжений и др.

Свойства металла поверхностного слоя можно определить на основании имеющихся зависимостей между твердостью материала

241

ции измеряются микротвердость и параметры К ■По полученным, результатам строятся тарировочные графики «физико-механи­ ческий параметр — микротвердость». В дальнейшем замером микротвердости на наклонных к обработанной поверхности мик­ рошлифах с помощью тарировочных графиков определяется рас­ пределение того или иного параметра по глубине поверхностного слоя.

В качестве примера на рис. 12.21 приведено изменение микро­ твердости сплава ЭП220 в зависимости от степени пластической деформации. Одновременное исследование свойств деформирован­ ного сплава позволило получить тарировочные графики зависи­ мостей К = f (Я) (рис. 12.22). Используя данные по распределе­ нию микротвердости (рис. 12.23), с помощью тарировочных графиков было получено распределение физико-механических свойств металла по глубине наклепанного поверхностного слоя, (рис. 12.24).

Полученные данные свидетельствуют о существенном изме­ нении свойств металла поверхностного слоя по сравнению с серд­ цевиной. По мере приближения к поверхности возрастают проч­ ностные и снижаются пластические свойства сплава. Так, на­ пример, металл, прилегающий к поверхности (2—7 мкм), имеет предел прочности 120 кг/мм2, предел текучести— 104кг/лш2, мо­ дуль упругости — Е = 22700 кг!мм2, в то время как прочности

242

Рис. 12.22. Тарировочные графики «свойство — микротвердость»

иые свойства исходного сплава соответственно составляют 100 кг/мм2, 64 кг/мм2 и 21300 кг/мм2 (рис. 12.24 а). Пластические свойства этого слоя примерно в два раза ниже пластичности сердцевины. Следует указать также на существенное увеличе­ ние коэффициента температурного расширения с ростом дефор­ мации металла. Это обстоятельство необходимо учитывать при высокотемпературной эксплуатации деталей, так как, вследствие различных коэффициентов линейного расширения материала по­ верхностных слоев и сердцевины, должны возникать дополни­ тельные температурные напряжения.

Как показывают данные рис. 12.23 и 12.24, наибольшие из­ менения параметров физико-механических свойств наблюдаются

споверхности, в месте максимальной величины микротвердости

лстепени деформации металла. Характер изменения свойств

243

по глубине поверхностного слоя совпадает с законом изменения микротвердости (или зеркально отображает его).

Из рис. 12.23 и 12.24 следует также, что режим резания влияетна интенсивность изменения параметров физико-механических: свойств. В случае резания сплава ЭП220 на низкой скорости1 (10 м/мин, V < У0) металл поверхностного слоя претерпеваетбольшую деформацию как по глубине,- так и по степени (рис.. 12.23 а и 12.24 а) по сравнению с резанием на оптимальной скорости (рис. 12.23 б и 12.24 б). Соответственно в большей сте­ пени изменяются и физико-механические свойства. Так, напри­ мер, относительное удлинение о металла поверхностного слоя; (2-^7 мкм) при резании сплава на V = 10 м/мин составляет лишь 1296, в то время как при точении на оптимальной скорости о = = 17 96; модуль упругости составляет соответственно 22700кг/мм2

Т а б л и цэ 2.6;

Наклеп при различных видах обработки

245-

так и по интенсивности) физико-механических свойств металла поверхностного слоя по сравнению с другими скоростями резания.

Наклеп поверхностного слоя при различных видах обработки

В табл. 12.6 приведены значения глубины и степени на­ клепа поверхностного слоя при обработке различных материа-

.лов разными методами обработки.

6.М а к а р о в А. Д. Износ и стойкость режущих инструментов. М., «Машиностроение», 1966.

7.М а к а р о в А. Д., М у х и н В. С. Особенности обработки сплава ЭИ437БУ. «Станки и инструмент», 1970, № 11.

8. М а к а р о в А. Д., М у х и н В. С. О взаимосвязи характеристик

9. Е в с т и г н е е в М. И., М о р о з о в И. А., Л о д з е й А. В., С у л и м а А. М., Ц у к а н о в И. С. Изготовление основных деталей авиа­ двигателей. М., «Машиностроение», 1972.

10. М а к а р о в А. Д., М у х и н В. С. Исследование наклепа при обработке сплава ЭИ437БУ. В сб.: «Вопросы оптимального резания метал­ лов», труды УАИ, вып. 29, Уфа, 1972.

12.И с а е в А. И. Влияние технологических факторов на остаточные напряжения в поверхностном слое при точении конструкционных сталей. Передовой научно-технический и производственный опыт, ТемаЮ, №М-57- 166/30, М., 1957.

13.К и ч к о Ю. М. Исследование вопросов оптимального точения углеродистых сталей в связи с их химическим составом и свойствами.Ав­ тореферат диссертации, Куйбышев, 1971.

14.М а к а р о в А. Д., М у х и н В. С , К и ш у р о в В. М. Влияние'

•свойств жаропрочных сплавов на наклеп обработанной поверхности. В сб.:

-«Вопросы оптимального резания металлов», труды УАИ, вып. 34, Уфа, 1972. 15. С а в и ц к и й Е. М. Влияние температуры на механические

•свойства металлов и сплэзов. Изд. АН СССР, 1957.

246

Г Л А В А XI I I

ОСТАТОЧНЫЕ ПОВЕРХНОСТНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ

Остаточными напряжениями называют такие внутренние напряжения, которые сохраняются в детали при снятии внеш­ ней нагрузки. Различают напряжения I, II и III рода. Напряже­ ния первого рода имеют макроскопический характер; уравно­ вешиваются они в пределах всего объема детали или большей части ее. По своему действию напряжения первого рода прирав­ ниваются к рабочим напряжениям (статическим или динамиче­ ским), действующим при эксплуатации детали, и, складываясь или вычитаясь с рабочими (в зависимости от знака), они оказы­ вают благоприятное или вредное влияние на работоспособность детали.

Напряжения второго рода представляют собой местные кри­ сталлические напряжения, охватывающие объем одного или нескольких зерен металла. Возникновение напряжений второго рода может быть связано, например, с различной ориентацией кристаллографических плоскостей зерен в поликристаллическом теле по отношению к действующему напряжению, а следовательно, и с различной степенью пластической и упругой деформации отдельных зерен. В результате воздействия внешней силы на по­ ликристалл в благоприятно расположенных зернах (направление плоскостей скольжения у таких зерен составляет 45° к направле­ нию действующей силы, например, силы резания) будет протекать интенсивно пластическая деформация, а зерна, расположенные не­ благоприятно (при угле 0° и 90°), будут деформироваться упруго или упругопластически. После снятия внешней нагрузки внутрен­ ние напряжения между отдельными зернами поликристалла ос­ таются как остаточные напряжения второго рода (межкристал-’ литные напряжения). Напряжения третьего рода уравновеши­ ваются в пределах субмикроскопических объемов одного зерна, т. е. охватывают объем нескольких кристаллических ячеек.

248

Основные причины возникновения поверхностных напряжений

Возникновение остаточных напряжений в поверхностном* слое при механической обработке деталей машин объясняется следующими основными причинами [1].

1. Пластическая деформация металла поверхностного слоя,

вательно, и к увеличению удельного объема. Увеличение объема металла распространяется только на глубину проникновения, пластической деформации и не затрагивает ниже лежащие слои. Однако увеличению объема пластически деформированного металла поверхностного слоя препятствуют связанные с ним недеформированные нижележащие слои. В результате в слое, прилегающем к поверхности, возникают сжимающие напряжения, а в нижележа­ щих— напряжения растяжения.

2. При обработке металлов, обладающих пониженными пла­ стическими свойствами (термообработанные под высокую твер­ дость стали, титановые сплавы), режущий инструмент, снимая с обрабатываемой детали элементную стружку, вытягивает зерна металла в направлении резания (рис. 13.1). Силы трения на зад­ ней поверхности инструмента в свою очередь способствуют рас­ тяжению зерен металла поверхностного слоя. Из рис. 13.1 видно, что зерна металла, лежащие ниже линии среза, претерпевают пластическую деформацию, причем ось наибольшего вытягивания частиц составляет с вектором скорости угол 45°. «При такой, направленности осей деформации весь поверхностный слой изде­ лия стремится к увеличению своей площади (толщина пластически, деформированного слоя, наоборот, уменьшается), так как состав­ ляющая деформации в направлении вектора скорости будет удли­ нение, а в перпендикулярном-сжатие».Стремлению поверхностного1 слоя увеличить свою площадь препятствует упруго-напряжен­ ный слой металла, лежащий в глубине, с которым верхний пласти­

поля передней поверхности инструмента формируются остаточ­ ные (тангенциальные) напряжения сжатия, а в нижележащих слоях — уравновешивающие их остаточные напряжения растяже­ ния.

Следует отметить, что в направлении, перпендикулярном к вектору скорости резания (т. е. в направлении подачи), также протекают упругопластические деформации, вызывающие воз­ никновение напряжений (осевых напряжений). Величина и знак этих напряжений могут совпадать, а могут и не совпадать с ве-

249i

Рис. 13.1. Схема деформации зерен металла под воздействием равнодействующей сил резания (применительно к малопластичным металлам ) [2]

личиной и знаком напряжений, ориентированных в направлении скорости резания [1].

3. При резании вязких и пластических сталей и сплавов, после пластического вытягивания кристаллических зерен метал­ ла поверхностного слоя в направлении резания происходит их дополнительная деформация сходящей вверх стружкой (вытяги­ вание зерен металла в направлении схода стружки). В этом слу­ чае может произойти полная переориентация зерен поверхност­ ного слоя (вытягивание в вертикальном и сжатие в горизонталь­ ном направлениях). Данные работы [21 показывают (рис. 13.2), что интенсивность пластических деформаций металла, сходящей стружкой значительно выше интенсивности первоначальной де­ формации. В результате деформированные зерна 2-^-5 под воз­ действием верхнего слоя металла IV, уходящего в стружку, дополнительно вытягиваются в направлении сходящей стружки и в момент отделения ориентируются в поверхностном слое под уг­ лом X > 45° по отношению к направлению вектора скорости. Очевидно, в этом случае в металле поверхностного слоя, стремя­ щемся занять меньшую площадь, формируются остаточные на­ пряжения растяжения.

4. Выделяющееся в зоне резания тепло мгновенно нагревает тонкие поверхностные слои металла до высоких температур. Металл в верхних нагретых слоях, стремясь к увеличению сво­ его объема, встречает противодействие со стороны окружающего металла нижележащих слоев, что приводит к образованию напря­ жений сжатия. В случае возникновения напряжений, превышаю­ щих предел текучести данного металла as (a0l2), в поверхностном слое произойдет термопластическая деформация. При охлаждении объем верхних нагретых слоев металла стремится уменьшиться, однако сжатию препятствуют нижележащие (и окружающие) слои холодного металла. Вследствие этого под воздействием теп­ ла, выделяющегося в зоне резания, в поверхностном слое образу­ ются остаточные напряжения растяжения, а в нижнем— сжатия.

250