2.2.3 Механизм образования технологических остаточных напряжений и деформаций

В течение длительного времени считалось, что образование технологических остаточных деформаций происходит под воздействием остаточных напряжений. Такой взгляд на роль остаточных напряжений является ошибочным, т.к. остаточные напряжения уравновешены в поперечном сечении и не могут вызвать деформацию детали без нарушения их равновесия по какой-либо причине (например, неравномерной релаксации, нарушения сплошности материала и др.). Следовательно, деформация детали может происходить только под воздействием неуравновешенных напряжений. Таковыми являются начальные напряжения, под которыми понимаются неуравновешенные напряжения в детали после обработки, но до её деформации.

К начальным напряжениям можно отнести:

– неуравновешенные напряжения, сформированные в детали в процессе обработки вследствие неоднородной упругопластической деформации и неравномерных объёмных изменений материала по сечению детали, обусловленных нагревом и структурно-фазовыми превращениями.

– неуравновешенные напряжения, образованные из наследственных, т.е. сформированных предшествующей обработкой, остаточных напряжений, которые претерпели неравномерное изменение по поперечному сечению в процессе обработки детали на проводимой технологической операции.

– неуравновешенные напряжения, возникшие из наследственных остаточных напряжений, равновесие которых нарушено релаксационными процессами.

В большинстве случаев процесс обработки детали сопровождается так называемой первоначальной деформацией ε₀, которая вносится в поверхностный слой и вызывает начальные напряжения σ_н. Начальные напряжения связаны с первоначальной деформацией зависимостью:

. (18)

Вид обработки и условия её проведения определяют знак и характер распределения начальных напряжений в поперечном сечении детали.

Действие сформированных в процессе обработки начальных напряжений (рис. 19) эквивалентно действию внутренних сил и моментов, стремящихся вызвать деформации детали. Этому препятствуют внешние связи, образованные при закреплении заготовки. Величина внутренних сил и моментов зависит от интегральных характеристик Р_н и e_н эпюры начальных напряжений. Интегральная характеристика Р_н представляет собой вектор, прикладываемый в центре тяжести эпюры и равный по величине ее площади

,(19)

где а – глубина распространения начальных напряжений; s_н(х) – начальные напряжения; х – текущая координата по толщине детали.

Показатель Р_н учитывает уровень и глубину распространения начальных напряжений в поперечном сечении детали, не раскрываясложный характер их распределения. Расстояние от поверхности детали до центра тяжести эпюры e_н, обуславливает изгибающий момент от начальных напряжений.

Рис. 19. Принципиальная схема образования остаточных напряжений и деформаций при односторонней обработке детали: 1 – начальные напряжения; 2,3 – часть начальных напряжений, которые релаксируют в результате продольной и изгибной деформаций; 4 – суммарные начальные напряжения, которые релаксируют в результате деформаций; 5 – образованные остаточные напряжения

После раскрепления детали, т.е. после снятия всех внешних связей и нагрузок, происходит процесс разгрузки, при котором действие внутренних сил и моментов, обусловленных осевыми начальными напряжениями, в общем случае вызывает изгибную f и продольную D деформации. Действие неравномерных тангенциальных и радиальных напряжений приводит соответственно к закручиванию и искажению формы поперечных сечений. Происходящие деформации сопровождаются перераспределением начальных напряжений по поперечному сечению детали. При этом начальные напряжения, уравновешиваясь, превращаются в остаточные напряжения, у которых главный вектор и главный момент в сечении равны нулю.

Существует связь между начальными и остаточными напряжениями, которая выражается зависимостью

, (20)

где s_о^о(х) и s_н^о(х) – соответственно осевые остаточные и начальные напряжения; s_м^о(х) и s_р^о – часть начальных напряжений, которые релаксируют в результате изгибной и продольной деформаций.

Из выражения (21) и схемы на рис. 23 следует, что образование технологических остаточных деформаций и напряжений представляет собой единый взаимосвязанный процесс, в основе которого лежит формирование и перераспределение начальных напряжений.

Процесс образования технологических остаточных деформаций состоит из двух этапов: образования деформаций после обработки и раскрепления детали, либо в процессе обработки, если закрепление заготовки допускает её деформацию; образования деформаций во время хранения, транспортировки и эксплуатации изделия. Эти этапы существенно отличаются уровнем возникающих остаточных деформаций.

При механической обработке механизм можно представить следующим образом.

Во время обработки вместе с технологическим припуском удаляется часть наследственных (сформированных предшествующей обработкой) остаточных напряжений. Сам процесс обработки вносит в поверхностный слой дополнительные начальные напряжения. Это нарушает равновесие напряженно-деформированного состояния детали. После обработки и раскрепления детали под воздействием неуравновешенных напряжений произойдет деформация изгиба.