5.3. Напряжённость поверхностного слоя.

Остаточными напряжениями принято называть такие напряже­ния, которые существуют и уравновешиваются внутри твердого тела после устранения причин, вызвавших их появление. Появле­ние остаточных напряжений связано с условиями изготовления и эксплуатации деталей.

Н. Н. Давиденков предложил классифицировать эти напря­жения по протяженности их силового поля:

напряжения I рода (макронапряжения) охватывают макрообъе­мы, соизмеримые с размерами детали;

напряжения II рода (микронапряжения) распространяются в микрообъемах (отдельных зернах, блоках и их группах);

напряжения III рода локализуются в субмикрообъемах , линей­ный размер которых соизмерим по величине с межатомным рас­стоянием. Считается, что эти напряжения вызываются точечными дефектами. Последние приводят к смещению атомов из узлов ре­шетки (статическим скажениям).

Макронапряжения. Остаточные напряжения в детали возни­кают в результате воздействия различных технологических про­цессов при ее изготовлении.

Каждый технологический процесс, участвующий в механизме образования остаточных напряжений детали, имеет свои особен­ности, но в основе его лежит необратимое неоднородное распре­деление деформации по объему детали.

Неоднородное деформированное состояние детали может воз­никнуть:

после неоднородной пластической деформации в результате обработки металла или заготовки волочением, прокаткой, ковкой, холодной правкой, резанием, поверхностным пластическим дефор­мированием, а также вследствие неоднородной пластической де­формации при нагреве и охлаждении;

вследствие неоднородного изменения объема при фазовых превращениях как в твердом состоянии (закалка, старение, це­ментация стали твердым карбюризатором и другие физико-хими­ческие процессы) , так и при неоднородном протекании фазовых превращений из жидкого в твердое состояние и наоборот (цемен­тация в жидких ваннах, электролитическое осаждение металлов, усадка при кристаллизации отливки), а также из твердого в газо­образное состояние и, наоборот (азотирование, цианирование и газовая цементация стали).

В реальных условиях остаточные напряжения обычно возни­кают при одновременном действии различных факторов: механических, тепловых и физико-химических. Так, при пластической деформации деталей из сложных сплавов остаточные напряжения могут возникнуть в результате одновременного неоднородного протекания процессов пластической деформации и фазовых пре­вращений.

Реальное распределение макронапряжений в поверхностном слое заготовок после обработки резанием в первом приближении объясняют действием двух факторов — механического (пласти­ческого деформирования), обеспечивающего только сжимающие напряжения, и теплового (нагрева поверхностного слоя), являю­щегося причиной образования только растягивающих напряжений.

При обработке резанием вследствие трения между задней гранью инструмента или наростом и вновь образуемой поверхно­стью детали ее внешний слой подвергается пластической деформа­ции растяжения, а слой металла, лежащий ниже, растягивается упруго. После прохождения резца упруго растянутый внутренний слой металла стремится сжаться, но этому препятствует наружный пластически деформированный слой. В результате во внешнем слое формируются напряжения сжатия, а во внутреннем — растя­жения.

Внешний слой металла, нагреваясь в процессе резания, стре­мится удлиниться, однако этому препятствует более холодный внутренний слой, следовательно, первый подвергается сжатию, а второй — растяжению. При интенсивном нагреве напряжения на поверхности превзойдут предел текучести, что вызовет пласти­ческую деформацию сжатия наружного слоя металла. Во время последующего охлаждения внешний слой стремится сжаться до размеров, меньших первоначальных на величину пластической деформации сжатия. Этому будет препятствовать упруго-напряженный внутренний слой. В результате во внешнем слое возникнут напряжения растяжения, а во внутренних — напряжения сжатия.

Таким образом, в зависимости от условий обработки резанием доминирующим может быть или механический фактор, и тогда на поверхности возникнут макронапряжения сжатия, или тепло­вой фактор, и тогда на поверхности возникнут макронапряжения растяжения. Схема будет нарушена, если процесс резания сопро­вождается фазовыми превращениями, являющимися иногда более сильным источником образования макронапряжений в поверхно­стных слоях, чем механический и тепловой факторы.

Недостатком описанной модели образования макронапряжений является условность в раздельном рассмотрении действий меха­нического и теплового факторов, а также то, что она не учиты­вает направление силовой нагрузки, действующей на поверхност­ный слой при обработке детали. Эта условность не отвечает реаль­ной картине возникновения макронапряжений. Например, в зави­симости от направления силового поля в поверхностном слое детали могут создаваться как растягивающие, так и сжимающие напря­жения.

Микронапряжения. Остаточные микронапряжения обуслов­лены наличием в металле дислокаций, дислокационных стенок (гра­ниц блоков и ячеек), дефектов упаковки и других дефектов, вызы­вающих деформацию и напряжения, которые убывают с ростом r медленнее, чем r ^5/2. Кроме того, микронапряжения появляются в результате взаимодействия зерен между собой. Действие внеш­ней нагрузки вызывает в реальном поликристаллическом теле не­одинаковую деформацию соседних зерен. Это обусловлено произ­вольной их ориентацией и анизотропией механических свойств в кристаллах. Различие в степени деформации соседних зерен при­водит к появлению в них микронапряжений.

Неоднородность деформации обычно усиливается, если сосед­ние зерна представляют собой различные фазы, характеризую­щиеся разными механическими и физическими свойствами. В мно­гофазных сплавах возникают межфазные микронапряжения.

При изменении температуры микронапряжения появляются вследствие наличия в материале различных фаз, имеющих разные коэффициенты линейного расширения α , а также вследствие ани­зотропии физических свойств отдельных зерен, обусловливающей различие в величине α вдоль разных кристаллографических на­правлений. Основным методом исследования микронапряжений (или, точнее, микродеформаций) является РСА.

Статические искажения «напряжения III рода». В механике сплошных сред можно показать, что точечный дефект вызывает упругую деформацию ε ~r^-8 (r- расстояние до дефекта) *.

* Дисперсные частицы новой фазы, выделяющиеся в зерне исходной фазы, дислокационные петли и другие дефекты, имеющие в трех измерениях конечные размеры, также приводят к деформации ε ~ r^-3

Таким образом, на гра­нице зерна (блока) деформация и напряжение от такого дефекта имеют конечную величину, пропорциональную R^-3 (R — размер зерна или блока). В то же время величина статических смещений атомов из узлов решетки, обусловленных точечным дефектом, быстро убывает с ростом r. Вызванные им статические искажения значительны лишь на расстояниях, соизмеримых с межатомным. Смещения атомов (деформацию решетки) в непосредственной бли­зости от дефекта уже нельзя определить в рамках механики сплош­ных сред. Поэтому термин «напряжения III рода» весьма условный и правильнее говорить о «статических искажениях решетки». Ос­новным методом исследования статических искажений является РСА, позволяющий определить среднее квадратическое статическое смещение атомов из узлов решетки ((и²)).

34-38, 103-105 с.[1].