Файл: Макаров, А. Д. Износ инструмента, качество и долговечность деталей из авиационных материалов учебное пособие.pdf

Основные причины возникновения поверхностных напряжений

Возникновение остаточных напряжений в поверхностном* слое при механической обработке деталей машин объясняется следующими основными причинами [1].

1. Пластическая деформация металла поверхностного слоя,

вательно, и к увеличению удельного объема. Увеличение объема металла распространяется только на глубину проникновения, пластической деформации и не затрагивает ниже лежащие слои. Однако увеличению объема пластически деформированного металла поверхностного слоя препятствуют связанные с ним недеформированные нижележащие слои. В результате в слое, прилегающем к поверхности, возникают сжимающие напряжения, а в нижележа­ щих— напряжения растяжения.

2. При обработке металлов, обладающих пониженными пла­ стическими свойствами (термообработанные под высокую твер­ дость стали, титановые сплавы), режущий инструмент, снимая с обрабатываемой детали элементную стружку, вытягивает зерна металла в направлении резания (рис. 13.1). Силы трения на зад­ ней поверхности инструмента в свою очередь способствуют рас­ тяжению зерен металла поверхностного слоя. Из рис. 13.1 видно, что зерна металла, лежащие ниже линии среза, претерпевают пластическую деформацию, причем ось наибольшего вытягивания частиц составляет с вектором скорости угол 45°. «При такой, направленности осей деформации весь поверхностный слой изде­ лия стремится к увеличению своей площади (толщина пластически, деформированного слоя, наоборот, уменьшается), так как состав­ ляющая деформации в направлении вектора скорости будет удли­ нение, а в перпендикулярном-сжатие».Стремлению поверхностного1 слоя увеличить свою площадь препятствует упруго-напряжен­ ный слой металла, лежащий в глубине, с которым верхний пласти­

поля передней поверхности инструмента формируются остаточ­ ные (тангенциальные) напряжения сжатия, а в нижележащих слоях — уравновешивающие их остаточные напряжения растяже­ ния.

Следует отметить, что в направлении, перпендикулярном к вектору скорости резания (т. е. в направлении подачи), также протекают упругопластические деформации, вызывающие воз­ никновение напряжений (осевых напряжений). Величина и знак этих напряжений могут совпадать, а могут и не совпадать с ве-

249i

Рис. 13.1. Схема деформации зерен металла под воздействием равнодействующей сил резания (применительно к малопластичным металлам ) [2]

личиной и знаком напряжений, ориентированных в направлении скорости резания [1].

3. При резании вязких и пластических сталей и сплавов, после пластического вытягивания кристаллических зерен метал­ ла поверхностного слоя в направлении резания происходит их дополнительная деформация сходящей вверх стружкой (вытяги­ вание зерен металла в направлении схода стружки). В этом слу­ чае может произойти полная переориентация зерен поверхност­ ного слоя (вытягивание в вертикальном и сжатие в горизонталь­ ном направлениях). Данные работы [21 показывают (рис. 13.2), что интенсивность пластических деформаций металла, сходящей стружкой значительно выше интенсивности первоначальной де­ формации. В результате деформированные зерна 2-^-5 под воз­ действием верхнего слоя металла IV, уходящего в стружку, дополнительно вытягиваются в направлении сходящей стружки и в момент отделения ориентируются в поверхностном слое под уг­ лом X > 45° по отношению к направлению вектора скорости. Очевидно, в этом случае в металле поверхностного слоя, стремя­ щемся занять меньшую площадь, формируются остаточные на­ пряжения растяжения.

4. Выделяющееся в зоне резания тепло мгновенно нагревает тонкие поверхностные слои металла до высоких температур. Металл в верхних нагретых слоях, стремясь к увеличению сво­ его объема, встречает противодействие со стороны окружающего металла нижележащих слоев, что приводит к образованию напря­ жений сжатия. В случае возникновения напряжений, превышаю­ щих предел текучести данного металла as (a0l2), в поверхностном слое произойдет термопластическая деформация. При охлаждении объем верхних нагретых слоев металла стремится уменьшиться, однако сжатию препятствуют нижележащие (и окружающие) слои холодного металла. Вследствие этого под воздействием теп­ ла, выделяющегося в зоне резания, в поверхностном слое образу­ ются остаточные напряжения растяжения, а в нижнем— сжатия.

250

Из сказанного следует, что формирование растяги­ вающих напряжений под действием температуры может быть только в том случае, если внутренние напряжения, возникающие при нагрева­ нии, превзойдут по своей величине предел текучести данного материала. Темпера­ турные напряжения могут быть подсчитаны по формуле

где crs — предел текучести обрабатываемого материала.

На рис. 13.3 применительно к жаропрочному никелевому сплаву ЭИ826 штриховкой показана зона начала протекания термоплас­ тических деформаций Т

Величина тепловых остаточных напряжений растяжения в зависимости от температуры нагрева поверхностного слоя может'

251

Рис. 13.3. Изменение предела текучести а0 , 2 и

температурных напряжений ат в зависимости от температуры нагрева сплава ЭП220

5. Высокая скорость пластической деформации, высоки -удельные нагрузки и температуры — все это приводит к струк­ турно-фазовым изменениям (превращениям) в металле по­

ных причин может оказать преобладающее влияние и определить тем самым величину, знак и характер распределения напряжений по глубине поверхностного слоя. Как правило, при резании одно­ временно действуют несколько факторов; в результате их взаи­ модействия окончательное распределение остаточных напряжений -по глубине поверхностного слоя приобретает весьма сложный характер.

Методы определения остаточных напряжений

В настоящее время определение остаточных поверхностных напряжений производится в основном двумя методами — меха­ ническим и рентгеноструктурным. Первый метод основан на зависимости, полученной академиком Н. Н. Давиденковым [3], и заключается в измерении деформации образца при послойном

•или непрерывном удалении поверхностных напряженных слоев х последующим расчетом напряжений.

252

Сущность рентгеноструктурного метода заключается в изме­ рении разности параметра кристаллической решетки исследуе­ мого металла в зависимости от ориентации отражающей плоско­ сти по отношению к действующему напряжению (метод двух угло­ вых съемок, предложенный Глокером [4]). Как механический, так и рентгеноструктный методы определения напряжений имеют ■свои достоинства и недостатки.

Преимуществами рентгеноструктурного метода двух угловых ■съемок являются: объективность, отсутствие посторонних факто­ ров, воздействующих на образец в процессе измерения, локаль­ ность, возможность определения напряжений без разрушения детали. Основным преимуществом механического метода является возможность быстрого получения эпюры остаточных напряжений по глубине поверхностного слоя.

Методика механического метода определения напряжений

■Согласно зависимостям акад. Н. Н. Давиденкова, осевые изме­ ренные напряжения F„ и тангенциальные измеренные напряже­ ния FT находятся из выражений

F0 = F0l + Fo2 + Fo3,

где Ъ— половина длины исследуемого участка (см. рис. 13.4);

253