Г л а в а 4. ВЛИЯНИЕ ТЕ Х Н О Л О ГИ Ч Е С К И Х Ф АКТО РО В

4.1. ВЛИЯНИЕ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

Наиболее распространенными технологическими факторами, влия­ ющими на прочность, являются остаточные напряжения, водород­ ная хрупкость и в несколько меньшей степени отпускная хрупкость, которая была уже рассмотрена. В условиях службы значительное влияние на прочность может оказывать окружающая среда.

Остаточными называются напряжения, которые присутствуют в теле, когда отсутствуют внешние (в том числе и реактивные) силы или градиенты температур.

Взависимости от объема, в котором остаточные напряжения уравновешиваются, различают три их вида: первого рода, уравно­ вешиваемые в объеме или макроскопической части объема тела; второго рода, уравновешиваемые в областях порядка размера зерен материала; третьего рода, уравновешиваемые в областях порядка размера межатомных расстояний.

Вдальнейшем будут рассматриваться только остаточные напря­ жения первого рода. Так как эти напряжения уравновешиваются внутри тела, они не бывают одного знака.

жениями растяжения, прочность падает, если с остаточными напря­ жениями сжатия — прочность растет.

Остаточные напряжения растяжения могут служить самостоя­ тельной причиной образования трещин и разрушения тел. Широко известны случаи образования трещин, вызываемых остаточными напряжениями в сварочных соединениях, фасонных отливках, зака­ ленных деталях.

Наиболее ощутимое действие остаточных напряжений на проч­ ность проявляется при хрупких состояниях материалов, при дей­ ствии коррозионных сред, при действии переменных напряжений.

Кроме того, что остаточные напряжения влияют на прочность,

размеров.

Общей технологической причиной возникновения остаточных напряжений первого рода является остаточная деформация части тела или неравномерность остаточной деформации всего тела. При механической обработке и сварке имеет место остаточная пласти­ ческая деформация, при слесарной сборке, при горячих и прессо­ вых посадках действие оказывает главным образом остаточная

упругая деформация. В последнем примере следует говорить не о равновесии в пределах тела, а о равновесии остаточных напряже­ ний в системе взаимосвязанных тел.

текучести материалов. Если в момент возникновения остаточных напряжений аост их уровень поднимется выше ат, то со временем за счет релаксации он снизится до ат, а при повышенных темпера­ турах — до о0сх < ( V Условие

справедливо только при одноосном характере напряженного состоя­

При трехосном напряженном состоянии устойчивое соотношение

(4.3)

Остаточные напряжения влияют на механические свойства пла­ стичных сталей. На участках, где остаточные напряжения совпа­ дают по знаку с внешней нагрузкой, характеристики опц, аупр и о0,2, определяемые при осевом растяжении, достигаются при меньших внешних нагрузках, т. е. остаточные напряжения снижают указан­ ные механические характеристики, но не влияют на ов и SK. На ха­ рактеристики, определяемые при больших пластических дефор­ мациях, остаточные напряжения влияния оказать не могут, так как снимаются в самом начале равномерной деформации.

Рассмотрим три примера, в которых указанная выше причина возникновения остаточных напряжений материализуется в разных конкретных условиях.

Пример 1. Балка с прямоугольным поперечным сечением подвергается упруго­ пластическому изгибу. На левой и правой поверхностях балки напряжения дости­ гают предела текучести. Эпюра нормальных напряжений в поперечном сечении балки изобразится кривой I (рис. 4.1). Если убрать внешние силы, в сечении бруса останутся остаточные напряжения, вызванные остаточными деформациями. Эпюра нормальных напряжений, которые возникли быв сечении притом же изгибающем моменте в предположении, что материал в любой точке сечения будет вести себя упруго, изобразится кривой / / . Согласно известному закону разгрузки, обратная деформация при удалении изгибающего момента будет только упругой; напряжения при этом будут изменяться по кривой II. Это дает возможность вычислить оста­ точные напряжения в любой точке сечения как разность

Пример 2. Рассмотрим модель (рис. 4.2), объясняющую механизм возникновения остаточных напряжений при многих технологических процессах: таких, например, как охлаждение фасонных отливок и поковок после горячей обработки, сварка де­

Брус нагревают от О °С до температуры /. Если бы брус был свободен, он удли­

нился бы на величину

t

е/ = J a, dt,

о

где а t — температурный коэффициент линейного расширения; е* — относительное линейное термическое удлинение.

Из-за невозможности свободного удлинения бруса в нем возникают напря жения сжатия; в пределах упругости они равны а* = Ее*. За пределами упругости напряжения определяются по диаграмме деформирования.

Если стесненная деформация при нагреве не выходит за пределы упругой, при охлаждении образец возвращается к исходным размерам и напряжения полностью снимаются.

Если деформация при нагреве выходит за пределы упругой, в брусе возникает остаточная деформация сжатия, при охлаждении в брусе появятся остаточные напря­ жения растяжения, так как в результате остаточного сжатия охлажденный образец в свободном состоянии стал бы короче, но жесткая заделка торцевых концов бруса будет его растягивать! При этом брус снова может достигнуть предела текучести материала и вызвать в нем вторичную пластическую деформацию растяжения, теперь уже в результате остаточных напряжений. Остаточные напряжения в брусе можно определить графически по диаграммам на рис. 4.2, б, в. Будем считать, что меха­ нические свойства бруса при нагреве и охлаждении не меняются.

диаграмму растяжения и сжатия бруса.

При нагреве удлиняющийся образец под действием жесткой заделки торцов будет сжат, напряжения сжатия будут расти в соответствии с участком ОА кри­ вой 1—1.

Деформация сжатия при температуре нагрева txбудет —e*lf отрезок ОА' опре­

прямой ААХ. Отрезок ОАл обозначает в масштабе рисунка величину остаточных напряжений растяжения.

При нагреве до более высокой температуры /2 > t1 (рис. 4.2, в) деформация увеличится от &ti ДО е/2. В результате при охлаждении может возникнуть вторичная пластическая деформация, как показано на рис. 4.2, в.

Определить пластическую деформацию в рассмотренном случае можно и путем расчета. Положим, что брус на рис. 4.2, а сделан из малоуглеродистой стали, для

бруса в нем возникнет упругая деформация, равная 0,1 %, при которой напряжения достигнут предела текучести, последующая деформация 0,7 — 0,1 = 0,6 % будет пластическая.

Пример 3. Постоянным источником остаточных напряжений в поверхностных слоях деталей является механическая обработка: точение, фрезерование, шлифова­ ние и др. Компоненты остаточных напряжений при механической обработке соз­ дают плоское напряженное состояние в поверхностном слое, глубина которого не более нескольких десятых миллиметра.

Можно указать следующие две основные причины возникновения остаточных напряжений при механической обработке.

1. Пластическая деформация растяжения в поверхностном слое под снимаемой стружкой в результате силового действия инструмента. После снятия деформиру­ ющего усилия в продеформированном слое возникают остаточные напряжения сжа­ тия. Механизм возникновения этих напряжений следующий: если бы пластически деформируемый слой не был связан с нижележащим упругим материалом, он полу­ чил бы остаточное удлинение. Связь с нижележащим материалом препятствует удли­ нению, создавая в пластически деформированном слое напряжения сжатия. Знак остаточных напряжений, как и в других подобных случаях, обратен знаку пласти­ ческой деформации.

2. Разогрев поверхностного слоя при механической обработке, особенно при скоростном точении или шлифовании. Выделение теплоты при резании происходит за счет пластической деформации и трения инструмента. Растяжению поверхностного слоя в результате нагрева препятствует нижележащий холодный слон, что при­ водит к пластической деформации его сжатия и возникновению в нем остаточных напряжений растяжения после охлаждения.

Указанные две причины возникновения остаточных напряжений при механи­ ческой обработке влияют на характер остаточных напряжений по-разному: силовое

ческого режима обработки, в частности от скорости и подачи инструмента, условий его охлаждения и т. д. Измерения показали, что в результате точения поверхно­ стные остаточные напряжения сжатия достигают 200—800 МПа и распространяются на глубину 50— 100 мкм. При шлифовании основное влияние оказывает тепловой фактор, вследствие чего возникают, как правило, напряжения растяжения. Изве­ стны случаи образования трещин при интенсивном шлифовании титановых и жаро­ прочных сплавов. Трещин можно избежать, уменьшая интенсивность шлифования, например за счет уменьшения подачи круга.

Следует заметить, что существует большая практика созна­ тельного наведения в деталях остаточных напряжений сжатия для увеличения их несущей способности, особенно при переменных напряжениях. Целую область составляют методы поверхностного упрочнения, которые приводят к повышению поверхностной твер­ дости и наведению остаточных напряжений сжатия. К этим методам относятся поверхностная закалка токами высокой частоты, цемен­ тация, азотирование, обдувка дробью, чеканка, накатка роли­ ками.

Самым общим механическим методом измерения остаточных напря­ жений является измерение перемещений вблизи области, откуда любым способом, например сверлением, фрезерованием, травлением, удаляется часть напряженного металла. Инициируемое этим уда­ лением перераспределение напряжений вызывает перемещение ме­ талла, которое можно замерить, а затем вычислить остаточные напряжения в удаленной части. Проиллюстрируем это на примере.

В прямоугольном брусе (сечением b X h) на одной из граней удалим слой тол­ щиной о (рис. 4.4, а). В результате брус изогнется, как показано на рис. 4.4, б (f ^ стрела прогиба). Характер изгиба позволяет заключить, что остаточные напря­ жения в удаленном слое были напряжениями растяжения.

Такой же изгиб можно получить и без удаления слоя, внецентренной сжима­ ющей нагрузкой Р — одЬ (рис. 4.4, в), выбранной с таким расчетом, чтобы она точно соответствовала значениям остаточных напряжений растяжения о в удален­ ном слое толщиной 6.