Файл: Вульф А.М. Резание металлов.pdf

Вследствие механического или физического воздействия на твердое тело атомы его отклоняются от мест устойчивого равно­ весия, что вызывает в теле напряженное состояние, заключаю­ щееся в стремлении атомов вернуться в их исходное положение. Под влиянием этих внутренних сил появляются остаточные напря­ жения; их характер зависит от расстояния между атомами. С уве­ личением последнего выше нормального возникают напряжения растяжения и, наоборот, напряжения сжатия с уменьшением этого расстояния. Нагрев обрабатываемой детали по понятным причинам вызывает напряжения растяжения.

Склонность материала к упрочнению тем больше, чем меньше отношение предела текучести к временному сопротивлению. В процессе резания остаточные напряжения могут достичь боль­ ших значений: например, при обработке низколегированной стали о = 49 кгс/мм2 , высокопрочной а = 126 кгс/мм2 , жаропроч­ ной а = 140 кгс/мм2 .

Величина, а также характер поверхностных напряжений обра­ ботанных деталей зависит от многих факторов: рода обрабатывае­ мого материала, размера поперечного сечения среза, скорости резания, геометрии режущего инструмента (особенно переднего угла у), степени его затупления, смазочно-охлаждающих средств (СОС) и др. Например, глубина наклепа уменьшается с увеличе­ нием скорости резания. Так, рентгенографически было установ­

так как с увеличением скорости резания уменьшается длитель­

струмента, например фрезы, когда помимо динамического воздей­ ствия имеет место многократное перекрытие последовательных зон деформации. Здесь наблюдались поверхностные напряжения сжатия, уменьшавшиеся с увеличением подачи [120]. Отмечаются значительные технические трудности при изучении свойств мате­ риалов в случае весьма больших скоростей деформирования, имеющих место при современных форсированных режимах реза­ ния с повышенной температурой. В этом случае на поверхностях контакта режущего инструмента со стружкой и поверхностью резания происходит термически активируемое адгезионное взаи­

13

скорее, чем ниже температура плавления материала Т п л (примерно

2)с действием температуры — температурным полиморфизмом (способностью тел встречаться в различных кристаллических формах);

3)со структурными изменениями (с фазовыми превращениями), сопровождаемыми изменчивостью физико-механических свойств.

Под влиянием температуры возникают растягивающие поверх­ ностные напряжения. В большинстве случаев наведение остаточ­ ных напряжений вызвано действием силового поля и можно пола­ гать, что характер остаточного напряженного состояния в поверх­ ностном слое изделий, обработанных резанием, связан с направ­ лением сил резания.

В зависимости от интенсивности и знака поверхностных напря­ жений обработанной детали изменяется ее прочность; она умень­ шается (особенно при циклической нагрузке) при наличии растя­

и гладком уплотненном поверхностном слое, хотя и увеличивается хрупкость, но повышается циклическая прочность детали. По­ этому нередко прибегают к искусственному наклепу, уплот­ няющему поверхность изделия с помощью обкатки, обдувки дробью и пр.

В последнее время предлагается новый метод получения напряжений сжатия на поверхности детали прогревом поверхност­ ного слоя до температур, при которых возникают термопласти­ ческие деформации; в то же время поверхностный и более глубо­ кие слои удерживаются при сравнительно невысоких температу­ рах. Это можно получить при одновременном нагреве поверх­ ности детали токами высокой частоты и интенсивном охлаждении жидкой или газообразной средами. Тогда на поверхности форми­ руются напряжения сжатия, проникающие вглубь на 200 мкм и более. Равновесные растягивающие напряжения в более глубоких слоях по своей величине значительно ниже и их область залега­ ния зависит от частоты тока. Изменяя частоту тока и интенсив­ ность охлаждения, можно менять эпюру остаточных напряжений в широких пределах.

Для улучшения качества поверхности путем уменьшения остаточных напряжений рекомендуется и такой прием: при чи-

14

стовой обработке после грубой изменяется направление скорости резания и подачи на обратные. Ориентированные при обдирке зерна возвращаются в исходное положение; обильное охлажде­ ние устраняет температурные напряжения.

Надо отметить еще одно важное обстоятельство. При обра­ ботке металлов параллельно происходят их упрочнение и «отдых» (разупрочнение в зоне резания). С увеличением скорости резания повышается предел текучести и металл приближается к абсолютно упругому состоянию (атермическкй процесс). Но при этом повы­ шается температура резания и возрастает скорость отдыха (тер­ мический процесс). При некоторых условиях, например при тем­ пературе рекристаллизации (она приблизительно равна 0,4 темпе­ ратуры плавления металла) и выше, скорость отдыха настолько велика, что упрочнение, получающееся вследствие пластической деформации, может значительно снизиться и даже полностью исчезнуть. Но при весьма больших скоростях деформации процесс упрочнения может происходить быстрее процесса рекристал­ лизации, благодаря чему сопротивление деформации увеличи­ вается.

Естественно, что при интенсивном охлаждении значительно усиливаются остаточные напряжения, поскольку при этом устра­ няется «отдых». Знак остаточных напряжений будет з-ависеть от характера силового поля.

Металлы, кристаллы которых имеют сравнительно много пло­ скостей скольжения и потому обладают очень большой пластич­ ностью (свинец, медь), не удавалось перевести в хрупкое состоя­ ние даже при весьма высоких скоростях деформации. Например, свинцовая пуля при ударе о броню со скоростью v = 800. м/с не дробится как хрупкое тело, а расплющивается, сохраняя пластичность. Можно полагать, что для перевода в хрупкое состоя­ ние подобных металлов требуется еще более высокая скорость деформирования.

о процессе разрушения металла в связи с температурой и скоростью пластической деформации, имеющие большое теоретическое и при­ кладное значение в области металлорезания и особенно при ско­ ростной обработке. Однако механизм разрушения очень сложен;

15

строение, энергия дефекта упаковки, уровень и направленность межатомных связей и др.), изменяющиеся в процессе пластичес­ кой деформации металлов разного химического состава при различных условиях. Все это важно для понимания процессов хрупкого разрушения, играющих большую роль при пласти­ ческой деформации и резании металлов.

'определяющих прочность изучаемого объекта. Основное явление, характеризующее природу разрушения, — образование и разви­

Появление микротрещин связывается с механизмами развития дислокаций, заторможенного сдвига, вскрытия или пересечения полос скольжения, взаимодействия двойников, структурными изменениями под влиянием силового . и температурного полей в процессе пластической деформации и пр.

Нельзя согласиться с утверждением возможности разрушения лишь после завершения пластической деформации при полном использовании ресурса пластичности. Основным оказывается механизм образования микротрещин в карбидных частицах, действующих в ферритной матрице как мощный концентратор напряжений, способный создавать зародыши разрушения уже при 1% деформации. Более 90% общего числа микротрещин связано с этим явлением [85].

Представление о микротрещине как источнике последующего разрушения было развито советским ученым П. А. Ребиндером, показавшим клиновидную форму трещины с устьем, сходящим до межатомного расстояния. Такое представление помогает объяс­ нить ряд интересных явлений, происходящих в процессе резания металлов. Например, при резании в условиях большой локальной жесткости (при протягивании) удавалось снимать тончайший слой металла режущей кромкой, радиус закругления которой р многократно превосходил по величине толщину среза а. Очевидно, пластически выдавливаемый металл, заполняя опережающую тре­

чалась, поскольку скорость распространения трещины намного превосходила скорость резания (движения зуба протяжки).

Скорость зарождения и развития микротрещин в пластически деформируемом металле представляет самостоятельный интерес с теоретической и технологической точек зрения. В. окрестности фронта трещины образуется малая область предразрушсния, окруженная пластической зоной, величина которой определяет собой характер разрушения (хрупкий, вязкий) и затрачиваемую

16

энергию. Последняя в основном дисснпируется в пластической

задержкой, после которой следует разгон макротрещины с очень

связано с формированием поля напряжений в окрестностях заро­ дившейся трещины и зависит от размеров образцов, скорости упругих волн в материалах, роста приложенных напряжений, температуры и др.

Степень нарастания скорости распространения трещины опре­ деляется видом напряженного состояния; она мала для вязких и высока для хрупких материалов. В закаленных сталях трещина стартует сразу с высокой скоростью; время разгона—порядка микросекунд. Вероятно это вызвано тем, что закаленная сталь

смартенситной структурой пронизана большим количеством

микротрещин эндогенного характера как в самом мартенсите, так и на границах его раздела с другими фазами. Этим можно объяснить парадоксально повышенную стойкость хрупкого инстру­

Ряд исследователей рекомендуют наибольшую скорость тре­ щины рассчитывать в зависимости от модуля Юнга Е и плотности р по формуле

(1)

( С ^ 0,4-г-О.б).

Практически наибольшая скорость развития трещины опре­ деляется не только модулем упругости и плотностью, но и прило­ женной нагрузкой, режимом иагружеиия и температурой. Во всяком случае она является частью скорости продольных и попе-, речных волн, а следовательно, предельные значения скоростей могут быть достигнуты в любом вязком материале. В табл. 1 показаны предельные зарегистрированные скорости трещин по данным различных исследователей.

Как видно из таблицы, показатели роста трещин в хрупком стекле и пластичной стали имеют близкие значения. Этому не приходится удивляться, поскольку предельные скорости разруше­ ния определяются упругими параметрами [уравнение ( ] ) ] . Пла­ стическая деформация вызывает дислокационные эффекты, способ­ ные создать микротрещины, но она не служит их развитию. При определенных условиях катастрофический рост трещины проис­ ходит вследствие прямого разрыва связей в устье трещины, где напряжения по величине близки к теоретической прочности.

17