Остаточные напряжения

Остаточные напряжения I, II и III рода.

Деформационное упрочнение металла зависит от напряженного состояния металла сублимикроскопической области, т.е. в области кристаллической решетки и в микроскопических областях. При пластической деформации металла 75…90% расходуемой энергии превращается в теплоту, а остальная поглощается кристаллической решеткой. Поглощенная энергия переводит решетку из устойчивого, т.е. неупрочненного состояния, в неустойчивое, т.е. упрочненное и сохраняется в ней в виде искажений, имеющих размеры атомных радиусов. Давыденков назвал эти искажения остаточные напряжения III рода. Они проявляют свое действие в радиусе 10^-6…10^-7 мм и определяются расчетом или рентгенографическим исследованием.

Остаточные напряжения II рода (кристаллитные напряжения) проявляются в результате пластических деформаций поликристалла. Пластическая деформация в отдельных кристаллах происходит неравномерно и поэтому напряжения 2-го рода применяются по следующим причинам:

1) Различаются кристаллиты, входящие в кристаллические зерна металла, обладают разным модулем упругости;

2) Деформируемость одного и того же кристаллита по разным направлениям различна (анизотропия прочности).

Способность деформироваться определяется величиной модуля упругости I рода E и II рода G, величина которых в различных направлениях может меняться от 16 до 400%, поэтому даже при равномерном распределении в кристаллических зернах однородных кристаллитов разные зерна будут иметь по направлению действующей силы разные значения модуля упругости. Степень неравномерности распределения пластической деформации поликристаллов достигает 500%.

Напряжения II рода возникают также и при фазовых превращениях металла, вызывающих изменение объема отдельных поликристаллов, в перлите также напряжения достигают значения 75 МПа, в закаленной малоуглеродистой стали 600 МПа, а в закаленной высокоуглеродистой 1600 МПа, их определяют рентгенографически.

Остаточные напряжения I рода (макроскопические) возникают при механической обработке, термической обработке и при фазовых превращениях металла. Они уравновешиваются в объеме всей детали, они вызваны неоднородностью силового и температурных полей внутри детали и определяется по величине деформации отрезанных элементов испытуемого образца или рентгенографически. Напряжения I рода развиваются тогда, когда степень пластической деформации неоднородна по всему поперечному сечению деформируемого тела. Когда внешняя нагрузка снимается, то участок металла растянутый больше других не дает соседним областям полностью вернуться в исходное положение и поэтому в соседних участках возникают остаточные напряжения различного знака (сжатие, растяжения).

Разупрочнение металла (отдых, возврат или крип) – снятие деформационного упрочнения металла, созданного пластической деформацией. Т.к. пластическая деформация приводит металл в неустойчивое состояние, то в металле самопроизвольно возникают явления разупрочнения, возвращающие металл в более устойчивое положение. При комнатной температуре разупрочнение идет очень медленно, а у тугоплавких металлов вообще отсутствует, однако, уже при слабом нагревании дислокациям и отдельным атомам сообщается необходимая подвижность и отдых протекает в полной мере, при этом незначительные перемещения атомов могут снять искажения кристаллической решетки, чем сильнее упрочнение металла, тем быстрее и полнее происходит разупрочнение, чем больше времени металл подвергается отдыху, тем полнее проявляется восстановление свойств, которые он имел до пластической деформации. Однако разупрочнение металла происходит не только после окончания пластической деформации, но и в период самой деформации. Это объясняется тем, что пластическая деформация в металле происходит одновременно во всем объеме, а начинается с наиболее благоприятно ориентированных зерен, т.е. наиболее слабых, только после упрочнения этих слабых зерен в пластическую деформацию вовлекаются и менее благоприятно ориентированные зерна, и пластическая деформация постепенно охватывает весь объем металла. В этот момент в ранее деформированных и упрочненных зернах начинается процесс разупрочнения.

Причины появления внутренних остаточных напряжений.

1) При воздействии режущего инструмента на поверхность обрабатываемой заготовки в ее поверхностном слое протекает пластическая деформация, которая сопровождается упрочнением и изменением некоторых физических свойств металла. Пластическая деформация металла вызывает уменьшение его плотности и, как следствие, обуславливает рост удельного объема, достигающий 0,3…0,8% от удельного объема до деформации. Увеличение объема металла распределяется только на глубину проникновения пластических деформаций и не затрагивает слоев металла, лежащих ниже. Увеличение объема пластически деформированного металла препятствует, связанные с ним, недодеформированные ниже лежащие слои, в результате этого в наружном слое возникают сжимающие, а в ниже лежащих – растягивающие остаточные напряжения;

2) В режущий инструмент, снимающий с поверхности заготовки элементную стружку, вытягивает кристаллические зерна металла порезц-го слоя, которые при этом претерпевают упругую и пластическую деформацию растяжения в направлении резания. Трение задней поверхности резца о заготовку, в свою очередь, способствует растяжению кристаллических зерен металла поверхностного слоя. После удаления резца пластически растянутые верхние слои, связанные заодно с ниже лежащими, приобретают остаточные напряжения сжатия, ориентированные по направлению резания, поэтому в ниже лежащих слоях развивается уравновешивание их остаточного напряжения растяжения;

3) При резании с образованием сливной стружки после пластического вытягивания кристаллических зерен поверхностного слоя металла в направлении резания происходит их дополнительное вытягивание под воздействием стружки по направлению ее схода, т.е. вверх. В этом случае может произойти полное переформирование кристаллических зерен поверхностного слоя: вытягивание в вертикальном и сжатие в горизонтальном направлениях, что приводит к появлению в направлении скорости резания остаточных напряжений растяжения;

4) Выделяющаяся в зоне резания теплота мгновенно нагревает тонкие поверхностные слои металла до высокой температуры, что вызывает увеличение его объема. Пластичность разогретого слоя значительно повышается, модуль упругости резко падает и внутренние напряжения в нем не возникает. После прекращения воздействия резца на деталь поверхностный слой быстро охлаждается, но этому препятствует холодные ниже лежащие слои металла. В результате во внешних слоях металла развиваются остаточные напряжения растяжения, а в ниже лежащих – напряжения сжатия;

5) При обработке металлов, склонных к фазовым превращениям, нагрев зоны резания вызывает структурные изменения, связанные с объемными изменениями металла, в этом случае в слоях металла со структурой, имеющей большой удельный объем, развиваются напряжения сжатия, а в слоях со структурой меньшего удельного объема – остаточные напряжения растяжения;

Дата добавления: 2015-08-17