Нагрев в результате тепловыделения при резании может вызывать отпуск приповерхностных объемов материала и тем самым уменьшить измеряемые экспериментально значения степени и глубины упрочнения.

5

Параметры напряженного состояния поверхностного слоя

Остаточными напряжениямипринято называть внутренние напряжения, которые возникают в детали в результате технологического воздействия (сварке, термической, механической и упрочняющей обработках и т.д.) или в процессе эксплуатации.

Остаточные напряжения уравновешиваются в пределах определенных объемов материала деталей. Их условно подразделяют на макронапряжения и микронапряжения.

Макронапряжения или напряжения первого рода уравновешиваются в пределах отдельных элементов или всей детали, а микронапряжения - в малых объемах. Микронапряжения подразделяются на напряжения второго рода, которые действуют в пределах одного зерна, и напряжения третьего рода (субмикроскопические), вызванные искажениями атомной решетки вследствие наличия дислокаций и других дефектов кристаллического строения.

Остаточные напряжения могут быть положительными (растягивающими) и отрицательными (сжимающими). Растягивающие напряжения являются опасными, поскольку они снижают конструкционную прочность, износостойкость и коррозионную стойкость деталей, а сжимающие полезными.

Возникновение остаточных напряжений обусловлено следующими основными причинами:

• неравномерностью пластической деформации;

• неравномерностью нагрева детали;

• фазовыми превращениями на отдельных участках или поверхностях.

Например, при резании имеют место неравномерная пластическая деформация поверхностного слоя и его нагрев в результате тепловыделения. Остаточные напряжения в данном случае формируются в результате неравномерного комплексного воздействия силового и теплового факторов. Часто один из факторов является превалирующим, а другой сопутствующим, что и определяет знак и величину остаточных напряжений на поверхности детали.

Упрощенно механизм формирования остаточных напряжений при резании можно представить следующим образом. Вследствие трения между задней поверхностью инструмента и образуемой поверхностью детали ее внешний слой подвергается пластической деформации, а слои металла лежащие ниже упруго растягиваются. После прохождения резца упруго растянутый внутренний слой стремится сжаться, чему препятствует

6

наружный пластически деформированный слой. В результате во внешнем слое формируются напряжения сжатия, а во внутреннем – растяжения. Эти процессы поясняет диаграмма деформирования, приведенная на рис. 4

Уровень остаточных напряжений зависит от величины пластической деформации _п и степени упрочнения материала. Чем больше остаточная деформация, тем выше остаточные напряжения. Максимум остаточных напряжений ограничивается пределом текучести при сжатии упрочненного материала. Для двухосного напряженного состояния предельная величина остаточных напряжении определяется соотношением:

где _{m упр} - предел текучести упрочненного пластической деформацией материала.

Рис. 4. Схема деформации поверхностного слоя при резании (а) и кривая деформирования поверхностного слоя (б)

Локальный нагрев поверхностного слоя приводит к противоположному результату (рис. 5). Внешний слой металла, нагреваясь, удлиняется, однако этому препятствуют более холодные внутренние слои. В результате объемы материала на поверхности подвергаются сжатию, а внутренние слои – растяжению. При достаточно интенсивном нагреве напряжения на поверхности могут превзойти предел текучести материала, что приведет к пластической деформации сжатия наружного слоя металла. При охлаждении внешний слой будет сжиматься до размеров меньших первоначального на величину пластической деформации сжатия. Этому противодействует внутренний слой. В результате во внешнем слое возникнут напряжения растяжения, а во внутреннем – напряжения сжатия.

Очевидно, что величина формирующихся остаточных напряжений зависит от степени температурной деформации _t, упругопластических и прочностных свойств материала. Для плосконапряженного состояния величину напряжений, возникающих в поверхностном слое при нагреве поверхности можно оценить из зависимости:

7

Рис. 5. Образование остаточных напряжений при неравномерном нагреве

,

где, - средняя температура по сечению детали,- температура на поверхности, — среднее значение модуля упругости для интервала от;— среднее значение коэффициента линейного расширения для интервала отt_ф до t, - коэффициент Пуассона.

Считают, что тепловой фактор в формировании остаточных напряжений при лезвийной обработке не является главным и лишь откладывает отпечаток на действие силового фактора. Это подтверждается тем, что обычно на поверхности формируются напряжения сжатия. Напротив, при шлифовании превалирует тепловой механизм образования остаточных напряжений (обычно возникают напряжения растяжения).

В общем случае напряженное состояние, характер и степень пластических деформаций, уровень тепловыделения и, как следствие, знак, величина и глубина распространения остаточных напряжений зависят от условий резания (режима обработки, геометрии и состояния инструмента, свойств материала и др.).

Другими причинами, приводящими к возникновению остаточных напряжений являются увеличение вследствие технологического воздействия числа дефектов кристаллического строения, что приводит к увеличение объема материала в поверхностном слое на 0,5...1,5% и, как следствие появлению сжимающих остаточных напряжений.

Высокие давления и температуры, имеющие место при механической обработке и других способах технологического воздействия, приводят к фазовым превращениям в материале поверхностного слоя. Например, превращение аустенита в мартенсит приводит к увеличению объема материала и формированию напряжений сжатия. При высоких температурах

8

мартенсит преобразуется в тростит или сорбит с меньшим удельным объемом и образуются остаточные напряжения растяжения.

Обработка деталей из титановых сплавов с структурой может сопровождаться частичным превращением-Ti с объемно-центрированной кубической решеткой в -Ti с гексагональной решеткой, что приводит к увеличению объема и образованию остаточных напряжений сжатия.

Макронапряжения в детали, в зависимости от ее формы и относительной траектории движения инструмента при обработке подразделяют на три вида: тангенциальные , действующие в направлении вектора скорости резания или пластического деформирования; осевыев направлении подачи (перпендикулярно вектору скорости); радиальныеперпендикулярно обработанной поверхности (рис. 6).

В материалах могут иметь место микронапряжения, обусловленные наличием дефектов кристаллического строения (дислокаций, вакансий, растворенных атомов и атомов внедрения). Такие напряжения уравновешиваются в пределах нескольких параметров кристаллической решетки. Скопления дефектов, например, дислокаций при их торможении у границ зерен, атомов внедрения или инородных включений могут создавать значительные по величине микронапряжения способные приводить к образованию микротрещин и, как следствие, снижению прочностных свойств материала.

Рис. 6. Обозначение остаточных напряжений в деталях

Остаточные напряжения влияют на прочность и другие эксплуатационные свойства, поэтому их задают в технических условиях чертежа деталей и контролируют их величину, знак и распределение по глубине поверхностного слоя. Кроме того, они снижают точность деталей. Неравномерность релаксации остаточных напряжений из-за различной их величины в разных участках деталей вызывает упругую деформацию детали и изменение ее геометрической формы (коробление) и размеров.

9

Внешние нагрузки и нагрев деталей в процессе эксплуатации ускоряют эти процессы. Для стабилизации формы деталей применяют технологические процессы, обеспечивающие минимальные остаточные напряжения, специальную термическую обработку и др.

Наличие и знак остаточных напряжений можно определить по изгибу пластин или колец. После вырезки образца из втулки или пластины или раскрепления после обработки он прогибается. Если прогиб образца происходит выпуклостью в сторону напряженного поверхностного слоя, то в нем существуют остаточные напряжения сжатия (рис. 7, а), если наоборот – напряжения растяжения (рис. 7,б). Если разрезать кольцо, имеющее в поверхностном слое остаточные напряжения сжатия, оно сомкнется, а растяжения – разомкнется (рис. 7, г, д). Деформация колец может быть определена по изменению расстояния между точками 1 и 2. (рис. 7, в, г, д). Средние значения остаточных напряжений сжатия могут быть рассчитаны, если известна глубина их залегания, например (для плоской пластины) по формуле:

,

где Н - толщина пластины; h - толщина слоя с остаточными напряжениями; L - длина пластины; Е - модуль упругости;  - прогиб пластины в результате действия остаточных напряжений.

Рис. 7. Деформация пластин и колец под действием остаточных напряжений сжатия (а, г) и растяжения (б, д) и схема разрезки колец (в)

Определение остаточных напряжений в поверхностном слое может выполняться различными группами методов, основными из которых являются:

10

1. Методы сверления зондирующих отверстий с измерением деформации поверхности возле него;

2. Методы послойного или непрерывного удаления с поверхности напряженных слоев материала с последующим расчетом величины остаточных напряжений и определением распределения остаточных напряжений по глубине поверхностного слоя;

3. Методы дифракции рентгеновских лучей, жесткого рентгеновского излучения, нейтронов или электронов.

4. Акустические (ультразвуковые) методы.

Основной принцип первой группы методов заключается в сверлении отверстия в образце. Деформации, вызванные перераспределением остаточных напряжений в зоне отверстия (рис. 8, в). измеряются датчиками, расположенными вокруг отверстия в определенных позициях (рис. 8, а, б). Точки измерений деформаций выбираются таким образом, чтобы упростить расчет остаточных напряжений. Сверление выполняется в несколько этапов, на каждом из которых удаляется тонкий слой материала и измеряются величины деформации. Это позволяет оценивать распределение остаточных напряжений по глубине. Измерение величин деформаций обычно выполняется системой тензодатчиков (розетка) наклеиваемой на поверхность (рис. 9, а). В центре «розетки» имеется разметка для сверления отверстия. Сверление отверстий производится на специальных приборах (рис. 9, б), позволяющих настраивать сверло на центр розетки посредством системы микрометрических винтов и микроскопа. Диаметр зондирующего отверстия составляет 0,4…2 мм.

Для измерения деформаций используют также нанесение на поверхность сеток или окружностей, голографическую интерферометрию, электронную спекл-интерферометрию.

Последний метод является основой разработки современных портативных систем определения и расчета остаточных напряжений.

Спекл-интерферометрия использует электронную фотографию особо тонкой, «зернистой» структуры света, отраженного диффузным объектом при лазерном освещении (англ.: sparkle — сверкать, искриться). Глаза наблюдателя отмечают это в виде мерцания, искорок на участке, освещенном лазером. Детектор (видеокамера) — фиксирует спекл в виде зернистой структуры на изображении. Это изображение (спекл-структура) зависит от формы поверхности и хорошо отражает ее изменения.

Запись и сопоставление двух спекл-структур, проводимые на ЭВМ в цифровой форме, выявляют изменения в положении или геометрии тела в виде системы линий (интерферограммы). Пример такой интерферограммы используемой для расчета деформаций и напряжений у зондирующего отверстия приведен на рис. 10. В отличие от тензометрирования, где измерения выполняются в отдельных точках, данный метод регистрирует линии перемещений по всей области поверхности тела в окрестности

11

Рис. 8. Измерение остаточных напряжений методом сверления зондирующего отверстия

Рис. 9. Оборудование для определения остаточных напряжений сверлением зондирующего отверстия: а – «розетка»; б - прибор RS-200 для сверления отверстий

12

зондирующей лунки, что позволяет визуально определять направления главных напряжений и делать качественные выводы о свойствах напряжений еще до подсчета числовых значений соответствующих величин.

Для определения остаточных напряжений методом зондирующего отверстия с использованием спекл-интерферометрии разработаны специальные приборы, например, «ЛИМОН-ТВ».

Расчеты остаточных напряжений выполняются методами математического моделирования напряженно-деформированного состояния зоны вокруг отверстия.

Метод сверления зондирующих отверстий относят к полуразрушающим. Образующееся отверстие имеет небольшую глубину и, если это необходимо, удалено механической обработкой.

Рис. 10. Интерферограмма области зондирующего отверстия

Вторая группа методов основана на послойном или непрерывном удалении материала с остаточными напряжениями с поверхности. На практике непрерывное удаление слоев металла с исследуемой поверхности обычно производится химическим или электрохимическим травлением (рис. 11). При этом остальные поверхности образцов изолируются химически стойкими лаками. Предварительно определяется скорость травления материала в используемом травящем растворе, что необходимо для выполнения расчетов распределения остаточных напряжений по глубине от поверхности. Деформация образцов связанная с удалением напряженных слоев регистрируется с помощью датчиков. Для измерения остаточных напряжений используются специальные приборы, например «ПИОН». Современные приборы этого типа, например, ПОВКОН «Тензор» позволяют автоматизировать циклы измерения и расчета остаточных напряжений, рассчитывать напряжения при использовании образцов сложной формы, например вырезанных из лопатки компрессора или из венца зубчатого колеса.

13

Недостатками этого метода являются высокая трудоемкость и то, что он является разрушающим. Измерения приходится выполнять на образцах свидетелях или образцах вырезанных из деталей.

Третья группа методов основана на дифракции рентгеновских лучей или нейтронов. Его сущность заключается в измерении разности межплоскостных параметров кристаллической решетки исходного и деформированного металла, которая пропорциональна величине остаточных напряжений. Измерения выполняются с использованием различных методик: двух экспозиций, скользящего луча, sin².

Рис. 11. Схема определения остаточных напряжений методом травления (а) и эпюра распределения остаточных напряжений по глубине слоя (б). 1 – ванна с травящим раствором; 2 – образец; 3 – датчик измерения деформации образца

Наиболее широко используется методика sin², принцип которой показан на рис. 12. Она основана на измерении деформации кристаллической решетки исследуемого объекта по смещению линий дифракционного спектра. Под действием компоненты нагрузки, перпендикулярной кристаллографическим плоскостям, дающим отражение, изменяются межплоскостные расстояния, что приводит к изменению угла дифракции рентгеновских лучей . Расчеты выполняются по формуле:

где  - изменение угла дифракции, связанное с наличием остаточных напряжений; ₀ – угол дифракции соответствующий состоянию решетки без напряжений; d₀ - величина межплоскостного расстояния при отсутствии напряжений; d – изменение межплоскостного расстояния;  - деформация решетки.

14

Фиксируя это изменение при различных углах  можно построить график зависимости угла 2от sin² и по нему вычислить значения напряжения.

В настоящее время созданы специальные портативные приборы, в частности, STRESSRAD. Прибор STRESSRAD состоит из гониометра с установленными на нём рентгеновской трубкой и позиционно-чувствительным детектором, блока электроники и портативного компьютера с программным обеспечением.

    Для исследования напряжений в различных материалах измерения выполняют трубками с разными анодами (Fe, Cr, Cu).

При использовании мягкого рентгеновского излучения глубина проникновения луча не превышает несколько микрометров (5 мкм – титан, 20мкм – сталь, 50 мкм – алюминий). Поэтому для построения эпюр остаточных напряжений необходимо послойное удаление материала. Жесткое рентгеновское излучение позволяет исследовать более глубокие слои металла (500 мкм – титан, 10 мм – алюминий). Проникающая способность нейтронного излучения еще выше (4 мм – титан, 25 мм – сталь, 100 мм – алюминий). Использование жесткого рентгеновского и нейтронного излучений позволяет оценивать распределение остаточных напряжений по глубине (строить эпюры остаточных напряжений).

Рис. 12. . Схема измерения. 1 – рентгеновская трубка; 2 – детектор; 3 – образец; N - нормаль к исследуемой поверхности в точке съемки; N' - нормаль к плоскости дифракции. Угол  образован нормалью к поверхности и нормалью к отражающей плоскости, угол  показывает поворот вокруг нормали N,  - угол дифракции

15

Преимуществами методов дифракции являются: объективность, отсутствие посторонних факторов, воздействующих на образец в процессе измерения, локальность, возможность определения напряжений без разрушения деталей.

Ультразвуковой способ основан на влиянии величины и знака напряжений в твердом теле на скорость распространения звуковой волны. Поскольку скорость распространения волны дополнительно зависит от структуры материала, а само изменение скорости незначительно – эта группа методов не обеспечивает высокой точности измерений остаточных напряжений.

Измерения выполняются на стационарных и переносных приборах, в частности, марок “СИТОН-ПП” и “СИТОН-АРМ”. Абсолютная погрешность измерения напряжений составляет 20…60 МПа. Приборы позволяют определять величины остаточных напряжений на глубинах 5…650 микрометров. Время измерения составляет  30 с. Ультразвуковые приборы требуют тщательной тарировки на специальных образцах. Их целесообразно использовать для контроля и отбраковки деталей, выпускаемых в условиях массового и крупносерийного производства.

Величина, знак и характер распределения остаточных напряжений в поверхностном слое зависят от тех же факторов, что и упрочнение. Как уже указывалось выше, формирование остаточных напряжений происходит в условиях неравномерных пластических деформаций и нагрева. При различных условиях использования одного и того же метода обработки можно получить как растягивающие, так и сжимающие напряжения. При лезвийной обработке обычно формируются остаточные напряжения сжатия (превалирует фактор пластической деформации), а при шлифовании – растягивающие (превалирует фактор неравномерного нагрева).