резания
.docxДля движения и размножения дислокаций достаточны относительно малые напряжения.
При увеличении напряжений исходная дислокация 0, «закрепленная» в точках А и В либо в)
Позже были введены еще три параметра: остаточные напряжения, глубина и степень поверхностного наклепа, обусловленные пластической деформацией металла поверхностного слоя.
Одни исследователи утверждают, что основной фактор, влияющий на усталость,— остаточные напряжения, другие считают, что изменение характеристик усталости является следствием наклепа или шероховатости поверхности.
Например, повышение усталостной прочности после упрочняющей обработки связывают с остаточными напряжениями сжатия, которые, накладываясь на растягивающие напряжения от внешней нагрузки, снижают результирующее напряжение в поверхностном слое.
Существует мнение, что на усталостную прочность оказывает влияние весь комплекс параметров качества поверхности и, в первую очередь, шероховатость, наклеп и остаточные напряжения, причем в зависимости от свойств материала и условий эксплуатации влияние каждого из них различно.
В этом случае теоретический коэффициент концентрации напряжений при кручении и сдвиге выражается следующей формулой:
Коэффициент концентрации напряжений шлифованной поверхности с шероховатостью 9, 8 и 7-го классов ГОСТ 2789—59 равен соответственно 1,2; 1,24 и 1,48 [61].
Используя коэффициент чувствительности металла к концентрации напряжений qa, для микронеровностей можно приближенно оценить эффективные коэффициенты концентрации напряжений.
В работе [17] получено следующее соотношение, связывающее теоретический коэффициент концентрации напряжения аа с показателями спектра профиля поверхности «0=1+ 0,018 1/Y--, (5.
Критическое скалывающее напряжение, необходимое для действия источника, находящегося внутри кристалла, акря^20Й//, (1.
Изучая влияние остаточных напряжений на характеристики прочности металлов при любом виде нагружения, необходимо различать влияние остаточных напряжений на сопротивление упругой и пластической деформации и влияние остаточных напряжений на сопротивление разрушению.
Однако можно качественно оценить влияние остаточных напряжений на разрушение металла.
Остаточные напряжения, независимо от причин их возникновения, по физической природе ничем не отличаются от напряжений, вызванных внешними нагрузками.
Остаточные напряжения оказывают механическое воздействие на металл такое же, как и напряжения, вызванные рабочей нагрузкой.
\-> Если напряженное состояние материала в любой точке детали является упругим, то составляющие любых напряжений в этой 168 точке складываются алгебраически (алгебраическая суперпозиция) независимо от источника возникновения напряжений.
Длина /, отвечающая значениям критического скалывающего напряжения в кристаллах, имеет порядок 10" * см.
Следовательно, при фактических напряжениях ниже предела текучести деформации, вызванные действием внешней нагрузки, не зависят от наличия остаточных напряжений.
Если результирующее напряженное состояние в точке соответствует пластическому состоянию материала, то остаточные напряжения нельзя просуммировать алгебраически с напряжениями от внешней нагрузки.
В условиях пластического течения остаточные напряжения изменяются количественно, происходит их перераспределение: либо снижается величина остаточных напряжений, но сохраняется их первоначальный знак, либо меняется их знак на противоположный, или они обращаются в нуль.
Теоретически достаточна незначительная пластическая деформация (до 0,2%), чтобы снять остаточные напряжения.
Известно, что когда возможное макроскопическое пластическое течение является допустимым, остаточные напряжения мало или вообще не влияют на прочность материала.
Если же пластические деформации детали или узла ограничены (в условиях трехмерного поля напряжений, повышенной хрупкости, при исчерпании пластичности), то остаточные напряжения накладываются на любые другие напряжения, существующие в материале.
Воздействие их ничем не будет отличаться от воздействия любых накладывающихся друг на друга напряжений, независимо от источника их возникновения.
В этом случае роль остаточных напряжений в разрушении металла равноценна любым напряжениям, возникающим в соответствующих точках материала.
Эти общие положения о взаимодействии остаточных и рабочих напряжений в условиях упругого и пластического состояния материала справедливы и при циклическом нагружении.
Влияние остаточных напряжений на усталостную прочность может быть существенным и несущественным.
В условиях циклического нагружения, если результирующее напряжение от совместного действия остаточных и рабочих напряжений не превышает предела упругости, то остаточные напряжения суммируются алгебраически с рабочими, запас прочности снижается в упругой области материала.
Если возможно макропластическое течение материала, то остаточные напряжения по мере циклической наработки перераспределяются и влияние их как первичных остаточных напряжений на сопротивление усталости будет пренебрежимо малым.
Однако следует учитывать, что при пластическом течении остаточные напряжения снимаются, одновременно с этим снижается запас пластичности материала, важный для последующего воздействия внешней нагрузки и возможных случаев перегрузки детали.
Остаточные напряжения существенно влияют на характеристики усталости, когда для материала детали или узла создаются условия, исключающие возможность пластического течения; наличие в детали галтелей, надрезов, трения, высокого уровня скрытой энергии (равномерный наклеп), действие низких температур, значительное увеличение размеров детали и др.
В этих условиях наложение остаточных и рабочих напряжений будет снижать реальный запас прочности материала в процессе эксплуатации, способствуя возникновению и развитию усталостной трещины.
Характер взаимодействия (наложения) остаточных и рабочих напряжений в условиях циклического нагружения в основном зависит от вида напряженного состояния, скорости нагружения (деформации), температуры и окружающей среды и структурного состояния материала (наклепа).
Развитие и накопление вторичной пластической деформации от действия циклической нагрузки будет способствовать перераспределению и снятию местных остаточных напряжений как первичных, так и вторичных.
Основываясь на современных данных физики твердого тела — теоретических и экспериментальных исследованиях атомного механизма пластической деформации и разрушения металлов и сплавов,— можно считать установленным, что изменение характеристик усталости металла при поверхностном наклепе обусловливается влиянием наклепа и остаточными напряжениями.
Относительное значение каждого из этих факторов определяется видом нагружения, соотношением напряженного состояния от внешней нагрузки и от остаточных напряжений, степени и градиента наклепа, температурой испытаний, конфигурацией детали и другими факторами.
Относительную значимость каждого параметра качества поверхностного слоя в отдельности оценивали путем сравнения характеристик усталости образцов после термообработок для снятия остаточных напряжений, поверхностного наклепа и образцов, не подвергавшихся термической обработке.
Наиболее рациональным по простоте изготовления, уменьшению потребной мощности на колебания и уменьшению нагрева образца теплом внутреннего трения, упрощению методики определения уровня задаваемых напряжений и резонансных длин является консольный образец круглого сечения (рис.
Плоские образцы наиболее эффективны для технологических исследований, просты в изготовлении, но при испытании с частотами нагружения более 7500 Гц наблюдаются случаи разрушения по зажиму из-за контактных напряжений.
Специальной смазкой или покрытиями (например, тонкой пленкой эпоксидной смолы) можно заметно ослабить действие контактных напряжений.
Определение задаваемых напряжений.
Задаваемые напряжения при испытании на выносливость консольных образцов определяли
Максимальное напряжение в опасном сечении консольного образца при изгибных колебаниях, совершаемых по закону простого гармонического движения, у которого расчетная резонансная длина L более чем в 10 раз превышает d, с точностью до 7% можно определять по известной формуле а^ 1J578 -§-4- (5.
Для обнаружения дислокаций применяют следующие методы: травление, выявляющее ямки, которые представляют собой места выхода линейных дефектов из кристаллов; декорирование дислокаций в кристаллах кремния и в голоид-ных соединениях щелочных металлов; электронноскопическое просвечивание металлической фольги, позволяющее наблюдать перемещение отдельных дислокаций под напряжением, возникающим вследствие нагревания электронным пучком; рентгеновская дифракция, дающая возможность фотографировать положение отдельных дислокаций в кристалле металлов; ионный микропроектор, обеспечивающий наблюдение атомной структуры поверхности кристаллов.
Для образцов, предназначенных для испытаний на более высоких частотах, ошибка от применения этой формулы становится недопустимо большой (на частотах порядка 10 000 Гц напряжения, вычисленные по формуле, на 50 — 60% выше точных значений).
При частотах нагружения свыше 1000 Гц для образцов с d = = 5 мм и свыше 650 Гц для образцов с d = 7,52 мм, напряжения вычисляли по следующей формуле: где г|э„ — коэффициент, учитывающий податливость галтели и опоры образца, а также смещение опасного сечения от места начала галтели в сторону утолщенной части.
При испытаниях на усталость амплитуду колебаний вершины цилиндрического образца, соответствующую заданному напряжению, определяли расчетным путем l,7578t*o Ed max'
Первый образец испытывали при напряжении, "' равном 0,5 ав.
Для второго и последующих образцов напряжение каждый раз снижали или повышали на 2 или 4 кгс/мм2 в зависимости от числа циклов, вызвавших разру
Разность между напряжениями для последних двух образцов не превышала 2 кгс/мм2.
Результаты, испытаний на усталость исследуемых материалов — напряжение и соответствующее ему число циклов до
12* 179 разрушения — подвергали статистической обработке, в задачу которой входило определение средних вероятных значений усталости и долговечности при заданных уровнях напряжений.
Вследствие неизбежного рассеивания результатов при испытаниях материалов на усталость экспериментальное определение зависимостей между напряжениями и долговечностями на различных уровнях напряжений основывается на статистических методах обработки результатов испытаний применительно к случаю малого числа опытов.
23) то это подтверждало наличие корреляционной связи между напряжением и долговечностью при циклическом нагружении исследуемых материалов.
Кривые усталости сплава ЭИ617 после шлифования кругом вдоль образца (а) с последующей термообработкой для снятия остаточных напряжений (б) и наклепа (в) (температура 800° С, частота нагружения 5000 Гц): / — V10; 2 — V9; 3 — V7; 4 — V5
Для этого образцы после механической обработки до испытания на усталость подвергали изотермическим нагревам в вакууме для снятая поверхностного наклепа и остаточных напряжений.
Кривые усталости сплава ЭИ617 после шлифования абразивной лентой вдоль образца (а) и последующей термообработкой для снятия остаточных напряжений (б) и наклепа (в) (температура 900° С, частота нагружения 5000 Гц): / — V10; 2 — V9; 3 — V7; 4 — V5 при 850° С (8 ч), охлаждение с печью.
Я; Шероховатость Глубина наклепа, мкм Степень наклепа «н, %, после обработки Остаточные пряжения * после об- Класс s к S механической термической для снятия остаточных напряжений к X «'о <и к Е и 66 5 5,0 60 43,78 9,46 37/47
В материале лопатки возникают большие напряжения растяжения от центробежных сил и значительные вибрационные напряжения изгиба и кручения от газового потока, амплитуда и частота которых меняются в широких пределах.
5 1° -° ,° ^д ^j Vj -j ^J ел _^ _to _ю _о "ео "со ">— "со to ~a en i— термической для снятия остаточных напряжений to СЛ ISO СЛ ео to »— ел о >-со to н-ел о "— 1 4ь.
Быстрая и частая смена температуры приводит к возникновению в лопатках значительных термических напряжений.
Однако если учесть высокий уровень циклических напряжений, то можно предположить, что релакса
При малой базе испытаний сопротивление усталости образцов одно и то же для обеих групп, независимо от того, были ли в образце остаточные напряжения растяжения или сжатия или их не было.
Остаточная деформация, % Частота нагружения, Гц Вид корреляционного уравнения Коэффициент корреляции Средневероятные значения ст , кгс/мм2, на базе циклов Средневероятная долговечность в циклах при напряжении 0- N N— a 10« 10' 10» a = 36 кгс/мм2 а=26 кгс/мм2 1000 lgcr= 1,7956— lg#= 41,9005— —0,9977 34,63 31,40 28,41 4, 070-1 05 8,026- 108 —0,04269 lg N —23,3187 lg a
Напряжения от внешней нагрузки (статические или циклические) при рабочих температурах активизируют процессы снятия деформационного упрочнения поверхностного слоя.
Относительное изменение сопротивления усталости (%), вызванное шероховатостью поверхности (точки), наклепом (косая штриховка), остаточными напряжениями (прямая штриховка) сплавов ЭИ617, ЭИ826, ЭИ929 после шлифования (800° С — для сплавов ЭИ617, ЭИ826; 900° С — для сплава ЭИ929; частота нагружения 5000 Гц) слоя в среднем составляет на базе 100 млн.
Развитию процессов разупрочнения в деформированном поверхностном слое при этом способствуют циклические напряжения и увеличение продолжительности их воздействия с увеличением базы испытания в условиях высоких "температур.
Относительное снижение сопротивления усталости (%), вызванное шероховатостью поверхности (без штриховки), наклепом (косая штриховка) и остаточными напряжениями (сетка) сплавов ЭИ617, ЭИ826, ЭИ929 после шлифования (температура 800° С для сплавов ЭИ617, ЭИ826; 900° С — для сплава ЭИ929; частота нагружения 5000 Гц) вов ЭИ617, ЭИ826 и ЭИ929 при частоте нагружения 5000 Гц и рабочих температурах как на малой, так и на большой базе испытания показано на рис.
Степень повышения усталостной прочности при этом зависит также от базы испытаний, уровня циклических напряжений и продолжительности их воздействия на сплав в данных температурных условиях.
При эксплуатации лопаток компрессора в условиях рабочих температур и циклического нагружения процесс релаксации остаточных макронапряжений будет протекать более интенсивно, так как напряжения от внешней нагрузки ускоряют диффузионные процессы в деформированном поверхностном слое.
Теория дислокаций позволяет ронять двойственную природу пластической деформации при обработке резанием: деформация приводит к упрочнению металла (увеличению напряжения течения с ростом степени пластической деформации), одновременно подготовляя условия для его разрушения (накопления повреждаемости).
При механической, электроэрозионной, электрохимической и других видах окончательной обработки деталей воздействие технологического процесса ограничивается областью поверхностного слоя металла, который характеризуется шероховатостью поверхности, глубиной и степенью наклепа и остаточными технологическими напряжениями.
Зеегер объясняет линейное упрочнение действием полей напряжений от заторможенных групп дислокаций.
Усталостные испытания и определение уровня задаваемых напряжений проводили по приведенной методике.
кгс/мм2, на базе циклов вечность, циклы, при напряжении, кгс/мм2 кГц R a — N, а— Т 10» 108 36 26
КГС/ММ2, на базе времени, с вечность, циклы, при напряжении, кгс/мм2
Последний под влиянием приложенного напряжения генерирует дислокации и обеспечивает пластический сдвиг.
На кривой напряжение — дефор-мация поликристаллов, в отличие от монокристаллов, обычно отсутствует четко выраженный 'предел упругости, а начальный участок кривой имеет вид параболы.
Частота повторения нагрузки определяет важные параметры циклического нагружения, влияющие на характеристики усталости: скорость нарастания и убывания нагрузки (напряжения), а следовательно, и скорость деформирования и время действия максимальной и минимальной нагрузок цикла.
С ростом температуры напряжение, соответствующее началу стадий ///, заметно уменьшается.
С увеличением частоты нагружения (скорости деформирования) время нарастания напряжения сокращается.
С увеличением частоты нагружения напряжение, соответствующее определенной пластической деформации, увеличивается.
С увеличением частоты нагружения скорость пластической деформации отстает от скорости нагружения, вследствие чего пластическая деформация за полупериод цикла не соответствует уровню напряжений, возникающих за это время.
Необратимые перемещения дислокаций в металле начинаются при напряжениях, значительно меньших предела текучести, и ограничиваются пределами отдельных зерен (первая стадия течения на деформационной кривой до площадки текучести).
Однако с увеличением частоты нагружения (на одинаковой базе циклического воздействия) влияние его будет уменьшаться, так как продолжительность действия напряжений уменьшается обратно пропорционально частоте циклов, следовательно, при этом уменьшится и степень повреждаемости металла за счет временного фактора.
Когда напряжение при активном нагружении достигает предела текучести, начинают работать источники и происходит спонтанное размножение дислокаций, которые лавинообразно распространяются по плоскостям скольжения, в результате чего скорость пластической деформации скачкообразно повышается.
Остаточные напряжения.
Влияние температуры и продолжительности нагрева на снятие остаточных напряжений в аустенитной стали.
В этом случае атомы растворенного элемента легко размещаются в решетке, не вызывая заметных внутренних напряжений, препятствующих скольжению дислокаций.
В материалах с узкой зоной растворимости атомы примесей обычно окружены полями напряжений и склонны к образованию скоплений.
С увеличением примесей в сплавах критическое сопротивление сдвигу и напряжение, соответствующее началу стадии ///, возрастают.
Например, при создании границ с малой разориентировкой в кристаллах никеля пластической деформацией с последующим отжигом существенно смещаются вверх кривые напряжение — деформация.
Исследование внутренних напряжений в чугуне и стали.
Изменение величины остаточных напряжений в стали при циклических нагружениях.
: Усталостная прочность и остаточные напряжения в стали и чугуне.
Внутренние напряжения как резерв прочности в машиностроении.
Деформационное упрочнение здесь рассматривается как следствие взаимодействия полей напряжений дислокаций между собой и другими несовершенствами кристаллической решетки, затрудняющими перемещение самих дислокаций.
Поведение металлов под воздействием знакопеременных напряжений.
Допускаемые напряжения в машиностроении и циклическая прочность металлов.
Остаточные напряжения.
Исследование остаточных напряжений в деталях, подвергнутых шлифованию.
Технологические остаточные напряжения.
Шероховатость, наклеп и остаточные напряжения при механической обработке.
Остаточные напряжения.
В кристалле с идеальной кристаллической решеткой не могут иметь места не упругость и ползучесть, а пластическая деформация и разрушение наступают в нем при гораздо большей деформации и большем напряжении, чем это обычно вытекает из экспериментальных данных.
В зависимости от способа нагружения изменяется соотношение между максимальными касательными и растягивающими напряжениями аг = тшах/ошах, первые из которых способствуют развитию пластических, а вторые — хрупких явлений.
В развитии сдвигообразования при действии статических и циклических напряжений наблюдается много общего, сходного.
Процессы сдвигообразования приводят к возникновению остаточных напряжений 3-го рода и дроблению кристаллических зерен.
Характерной особенностью сдвиговых процессов пластичных металлов при действии переменных напряжений является развитие грубых полос скольжения, наблюдаемых при металлографических исследованиях.
Грубые полосы скольжения при действии циклических напряжений (ниже статического предела текучести) возникают при определенной наработке в зависимости от уровня напряжений: чем ниже амплитуда приложенного напряжения, тем при большем числе циклов обнаруживаются грубые полосы скольжения.
Плотность полос скольжения в металле зависит от уровня напряжений и числа циклов.
Наибольшие изменения в процессе усталости претерпевают такие характеристики, как предел пропорциональности и текучести при амплитудах напряжения ниже статического предела текучести.
Величина логарифмического декремента затухания в процессе усталости изменяется тем интенсивнее, чем выше приложенное циклическое напряжение.
Чем больше максимальное напряжение цикла, тем быстрее наступает вторичное возрастание уровня внутреннего трения перед усталостным разрушением.
С увеличением амплитуды циклического напряжения уровень внутреннего трения возрастает.
Иванова при комплексном рассмотрении закономерностей изменения структуры и ряда физических и механических свойств при действии циклических напряжений процесс усталости разделила на четыре стадии .
По Зинеру трещина в заблокированной полосе скольжения может возникнуть в результате возрастания на конце полосы скольжения концентрации нормальных, напряжений до уровня когезионной прочности [129].
Под действием касательного напряжения дислокации могут слиться и образовать трещину.
(1ЛЬ) где т — напряжение в плоскости скольжения, действующее на скопление дислокаций; Us — поверхностная энергия материала; L — длина плоскости скольжения, занятая дислокациями нагромождения.
В настоящее время делается поиск общего подхода к определению энергетических условий образования прямолинейных трещин в неоднородном плоском поле внутренних напряжений.
Рассмотренные механизмы образования трещин могут иметь место при действии как статических, так и циклических напряжений.
Существуют различные представления о процессе вязкого разрушения: одни исследователи считают, что оно наступает в результате исчерпания пластичности, в этом случае критерий разрушения — критическая деформация; другие — вязкое разрушение объясняют наклепом материала впереди трещины, который достигает такой степени, что напряжение или деформация возрастают до значений, удовлетворяющих некоторому критерию разрушения.
Вязкие трещины зарождаются при напряжениях выше предела текучести.
Плотность полос скольжения больше при более высоких напряжениях, и трещины возникают после меньшего числа циклов.
На основе многочисленных экспериментов процесс роста трещины усталости в геометрически подобных плоских образцах (ширина от 22,7 до 170 мм) в условиях постоянной амплитуды номинального напряжения Вейбулл делит на два периода.
В процессе обработки резанием механическим и абразивным инструментом металл поверхностного слоя детали упруго-пласти-чески деформируется, в нем возникают остаточные напряжения, а на поверхности детали остаются микронеровности (шероховатость).
В процессе усталостного разрушения важную роль играют вакансии, которые, имея достаточно высокую скорость движения при высокой температуре и перемещаясь в определенных направлениях под действием приложенных напряжений, коагулируют, скапливаются в колонии или осаждаются на микропорах.
Однако он полагает, что вакансионный механизм зарождения трещин наиболее вероятен в условиях действия малых амплитуд напряжений, приводящих к тонкому скольжению.
При больших амплитудах напряжений, когда наблюдается грубое скольжение, разрушение подобно статическому.
Зарождение трещины связывается с началом рекристаллизации разупорядоченного материала, сопровождающейся сокращением объема, в результате которого возникают растягивающие напряжения.
Основными параметрами качества поверхностного слоя являются шероховатость поверхности, глубина и степень деформационного упрочнения и технологические остаточные напряжения (макро-, микронапряжения и искажения кристаллической решетки).
Он высказывает предположение, что распространение трещины есть непрерывное возникновение поднятий и провалов у вершины трещины в полосе скольжения, пока нормальные растягивающие напряжения не ускорят развитие трещины в течение оставшейся долговечности.
Взаимодействие полей напряжений дислокаций между собой и с другими дефектами решетки затрудняет движение дислокаций, сопротивление пластической деформации возрастает, металл упрочняется (наклеп, деформационное или механическое упрочнение).
Значительное влияние на физико-химическую активность отдельных поверхностных зерен оказывает величина их остаточных 4* 51 напряжений (микронапряжения), степень пластической деформации и др.
ОСТАТОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ
Появление остаточных напряжений связано с условиями изготовления деталей, с их предысторией.
Поэтому технологические процессы изготовления деталей должны проектироваться с таким расчетом, чтобы возникающие в поверхностных слоях остаточные напряжения гарантировали надежность работы деталей в заданных условиях эксплуатации.
Первые научные работы по остаточным напряжениям И.
В настоящее время создан ряд капитальных трудов, посвященных разработке методов определения остаточных напряжений и изучению их появления в конструкционных материалах после различных видов механической обработки [4, 43, 60, 80].
Вместе с тем, еще мало имеется работ по исследованию влияния остаточных напряжений на характеристики усталости конструкционных материалов, особенно для жаропрочных и титановых сплавов, и на устойчивость их в условиях эксплуатации.
Классификация остаточных напряжений.
Остаточные напряжения можно классифицировать по признакам протяженности силового поля и по физической сущности.
Общепринятой является классификация по первому признаку: напряжения 1-го рода — макронапряжения, охватывающие области, соизмеримые с размерами детали; они имеют ориентацию, связанную с формой детали; напряжения 2-го рода — микронапряжения, распространяющиеся на отдельные зерна металла или на группу зерен; напряжения 3-го рода — субмикроскопические, относящиеся к искажениям атомной решетки кристалла; ориентация их связана со структурой атомной решетки.