Меню

Технологические остаточные напряжения это

Остаточные напряжения после механообработки

Остаточные напряжения образуются после различных процессов, например после литья, сварки, прокатки, термообработки, а также после механической обработки ( точения , фрезерования, шлифования и др.).

Факторы, влияющие на остаточные напряжения рассмотрены в этой статье.

В процессе шлифования решающее влияние на образование остаточных напряжений оказывает тепловой фактор.

На рисунке показано примерное распределение температуры при шлифовании. В поверхностном слое в процессе шлифования сталей возникают сжимающие температурные напряжения. Указанные напряжения превосходят предел текучести материала и вызывают пластическую деформацию сжатия. После окончания процесса шлифования и установления нормальной температуры эта деформация сохраняется, что приводит к растяжению поверхностного слоя со стороны внутренних слоев, т. е. к образованию в нем растягивающих остаточных напряжений.

Следует отметить, что для ряда марок сталей, особенно высоколегированных, при охлаждении образуется поверхностный мартенситный слой (белый слой толщиной 0,01- 0,3 мм). Для некоторых материалов, например, жаропрочных сплавов, превращения в поверхностном слое почти не наблюдаются.

Как уже отмечалось, мартенситное превращение происходит при увеличении объема, что может компенсировать уменьшение объема при пластической деформации сжатия. Указанное обстоятельство может привести к образованию остаточных напряжений сжатия. Однако в практических случаях влияние температурных деформаций сказывается больше, и после шлифования в поверхностном слое наблюдаются растягивающие остаточные напряжения.

Силовая пластическая деформация, связанная с усилием резания, при шлифовании имеет второстепенное значение.

Для снятия остаточных напряжений в жаропрочных сплавах применяется специальный отжиг.

В последнее время, особенно для жаропрочных сплавов, при окончательной обработке электрополированием все шире применяется электроэрозионная и электрогидравлическая обработка. В лопатках газовых турбин, изготовленных указанным способом, остаточные напряжения оказались незначительными.

Отметим, что в основе широко распространённых конструкций с предварительно напряженным железобетоном лежит идея создания сжимающих остаточных напряжений в бетоне, что повышает несущую способность конструкции.

Обычно наибольшие остаточные напряжения лежат в поверхностных слоях, где напряженное состояние близко к двухосному. Тогда можно считать, что наибольшие остаточные напряжения:

Во многих случаях для увеличения надежности и долговечности детали необходимо уменьшить остаточные напряжения в ней. Тогда данное условие может служить одним из обоснований для широко распространенной технологической операции для снятия остаточных напряжений — операции отжига (равномерный нагрев и выдержка при повышенной температуре).

Выбор температуры отжига или отпуска для снятия остаточных напряжений по пределу текучести является условным, так как не учитывается происходящий в материале процесс ползучести.

Более правильно считать, что величина остаточных напряжений ограничивается пределом ползучести (за время выдержки τ)

В этом равенстве предел ползучести σ0,2/τ представляет собой напряжение, вызывающее остаточную деформацию 0,2% за время τ (при заданной температуре выдержки).

Величина предела ползучести уменьшается при увеличении температуры и времени выдержки, причем увеличение температуры сказывается более резко.

Источник



2.2 Технологические остаточные напряжения и деформации

2.2.1. Остаточные напряжения

Остаточными напряжениями называются напряжения уравновешанные в поперечном сечении детали, которые возникают после обработки и раскрепления изделия.

Эпюру остаточных напряжений можно разделить на уравновешивающую и активную части (рис. 15), разграничивающиеся в точке, в которой напряжения проходят через ноль и отвечают уравновешенному напряженно деформированному состоянию детали.

Рис. 15 Эпюра остаточных напряжений в детали: 1 – активная часть; 2 – уравновешивающая часть эпюры.

Остаточные напряжения являются следствием перераспределения начальных напряжений, которые обусловлены объемными изменениями материала под воздействием внешних силовых и температурных факторов. Под начальными напряжениями понимают неуравновешенные в поперечном сечении напряжения, которые возникают в первоначальный момент разгрузки, т.е. при освобождении детали от всех внешних связей и воздействий. Остаточные напряжения определяют внутреннюю силу, в теле детали, которая либо повышает, либо уменьшает прочностные свойства материала, противодействуя или способствуя действию внешней нагрузки. Следовательно, остаточные напряжения могут повышать или снижать эксплуатационные свойства изделий.

Читайте также:  Силовая розетка номинальное напряжение

Остаточные напряжения можно классифицировать либо по физической сущности их происхождения, либо по протяженности силового поля.

По физической сущности различают термические напряжения, возникающие в результате нагрева (охлаждения), силовые от воздействия различных силовых факторов, структурные, возникающие в результате структурно-фазовых превращений материала.

По протяженности силового поля различают:

напряжения первого рода – макронапряжения, охватывающие области соизмеримые с размерами детали; они имеют ориентацию, связанную с формой детали. Например, в цилиндрической детали, различают осевые, касательные, радиальные напряжения (рис.16), т.е. три взаимно перпендикулярных составляющих напряжений;

Рис. 16 Схема составляющих остаточных напряжений.

— напряжения второго рода – микронапряжения, распространяющиеся на отдельные зерна или группы зерен материала;

— напряжения третьего рода – субмикроскопические напряжения, относящиеся к искажениям кристаллической решетки, и имеющие ориентацию, связанную со структурой кристаллической решетки.

Все перечисленные напряжения представляют различный уровень необратимых объемных изменений в материале. Для технологии машиностроения и ремонтного дела наибольший интерес представляют напряжения первого рода, поскольку именно они определяют эксплуатационные свойства и точность деталей.

Возникновение остаточных напряжений обусловлено четырьмя причинами.

Причина 1. При механической обработке в поверхностном слое детали развивается силовое поле, вызывающее пластическую деформацию волокон, причем в одном направлении волокна растягиваются, а в другом сжимаются. Так, при воздействии инструмента в виде шара на цилиндрическую деталь происходит растяжение в продольном направлении и сжатие в поперечном. Возникновение остаточных напряжений в волокнах материала выражается в их сжатости или растянутости. Если волокна растянуты (имеют остаточное растяжение), то они стремятся сжаться, следовательно, в них возникают остаточные напряжения сжатия и наоборот.

Причина 2. Развивающаяся пластическая деформация приводит к увеличению удельного объема (снижение плотности) наклепанного материала. Увеличение удельного объема обусловлено ростом плотности дислокаций и вакансий. Возникающие при этом начальные напряжения приводят к образованию остаточных напряжений.

Причина 3. Для материалов, склонных к структурно-фазовым превращениям, нагревы и пластическая деформация сопровождаются изменением удельного объема материала вследствие перехода из одного структурно-фазового состояния в другое. Например, при превращении остаточного аустенита в мартенсит происходит увеличение удельного объема материала, что и приводит к возникновению остаточных напряжений сжатия в этом слое.

Причина 4. Нагревы детали сопровождаются обратимыми и необратимыми объемными изменениями материала. Если только при нагреве детали термические напряжения незначительны, то после ее остывания не возникает никаких остаточных напряжений. При механической обработке присутствуют два фактора, которые определяют остаточные напряжения. Пластическая деформация сопровождается нагревом. При сложении напряжений от двух и более факторов, они складываются алгебраически и по принципу суперпозиции. Термические напряжения, складываясь с напряжениями от пластической деформации, приводят к образованию подслойного максимума остаточных напряжений.

Нагрев детали всегда сопровождается снижением предела текучести тматериала. Если термические напряжения по своему значению достигают предела текучестит, то только при одном тепловом воздействии в поверхностном слое материала после остывания возникают остаточные напряжения растяжения.

Любая из указанных причин может оказывать преобладающее влияние на остаточные напряжения. Но может случиться и так, что все четыре причины оказывают свое достаточно сильное влияние. Результатом этого является достаточно сложная по характеру распределения эпюра остаточных напряжений.

Управлять напряженным состоянием можно, если обрабатывать деталь в упруго напряженном состоянии. В этом случае можно получить максимальные значения остаточных напряжений сжатия или минимальные значения остаточных напряжений растяжения.

Источник

Технологические остаточные деформации деталей

Технологические остаточные деформации (коробление) деталей проявляются в виде отклонения оси от прямолинейности или какойлибо другой формы, а также в закручивании, растяжении-сжатии детали, то есть в проявлении так называемой пространственной погрешности (см. рис. 5). Во многих случаях точность изделий зависит от остаточных деформаций изгиба.

Читайте также:  Как посчитать напряжение формула

Причины образования технологических остаточных деформаций изгиба:

  • несимметричное распределение относительно оси детали эпюры начальных напряжений;
  • изменение упругонапряженного состояния детали, которое возникает либо перед обработкой в результате закрепления детали, либо во время обработки в результате воздействия на нее технологической оснастки.

В свою очередь, несимметричное распределение относительно оси детали начальных напряжений обусловлено:

  • асимметричной обработкой, связанной с удалением материала, например, со снятием неравномерного технологического припуска по контуру поперечного сечения цилиндрической детали: фрезерованием лысок, шпоночных пазов и т. д.;
  • асимметричной обработкой, не связанной с удалением материала, например, несимметричной наплавкой, сваркой, наклепом и нанесением неравномерного по контуру поперечного сечения покрытия. Образование технологических остаточных деформаций в результате изменения упругонапряженного состояния детали рассмотрим на следующем примере.

Нежесткую деталь без остаточных деформаций изгиба перед термической обработкой горизонтально устанавливают в муфельной печи. Под действием собственного веса она прогибается на величину, создающую упругонапряженное состояние в теле детали.

В таком упругонапряженном состоянии деталь подвергается термической обработке, например закалке. В процессе термической обработки происходят структурно-фазовые превращения в материале, которые изменяют напряженное состояние детали и уменьшают изгибающий момент, определяющий упругую отдачу изделия. В результате после обработки деталь не вернется в исходное положение, а будет иметь остаточный прогиб.

Очевидно, что первая причина образования остаточных деформаций является доминирующей и тем самым определяет величину и характер пространственной погрешности. Однако может оказаться и так, что обе причины достаточно сильно влияют на неравномерность изменения напряженного состояния заготовки и образование технологических остаточных деформаций. В этом случае значительно усложняется их прогнозирование.

1. Механизм образования технологических остаточных деформаций при обработке деталей

В течение длительного времени считалось, что образование технологических остаточных деформаций происходит под воздействием остаточных напряжений. Такой взгляд на роль остаточных напряжений является ошибочным, так как остаточные напряжения уравновешены в поперечном сечении и не могут вызвать деформацию детали без нарушения равновесия по какой-либо причине (например, неравномерная релаксация, нарушение сплошности материала и др.). Следовательно, деформация детали может происходить только под воздействием неуравновешенных напряжений. Таковыми являются начальные напряжения, под которыми понимаются неуравновешенные напряжения в детали после обработки, но до её деформации.

К начальным напряжениям можно отнести:

  • неуравновешенные напряжения, сформированные в детали в процессе обработки вследствие неоднородной упругопластической деформации и неравномерных объёмных изменений материала по сечению детали, обусловленных нагревом и структурно-фазовыми превращениями;
  • неуравновешенные напряжения, образованные из наследственных (сформированных предшествующей обработкой) остаточных напряжений, которые претерпели неравномерное изменение по поперечному сечению детали в процессе её обработки на проводимой технологической операции;
  • неуравновешенные напряжения, возникшие из наследственных остаточных напряжений, равновесие которых нарушено релаксационными процессами.

В большинстве случаев процесс обработки детали сопровождается так называемой первоначальной деформацией ε, которая вносится в поверхностный слой и вызывает начальные напряжения σн. Начальные напряжения связаны с первоначальной деформацией зависимостью:

(1.15)

Вид обработки и условия её проведения определяют знак и характер распределения начальных напряжений в поперечном сечении детали.

Действие сформированных в процессе обработки начальных напряжений (рис. 19) эквивалентно действию внутренних сил и моментов, стремящихся вызвать деформации детали. Этому препятствуют внешние связи, образованные при закреплении заготовки. Величина внутренних сил и моментов зависит от интегральных характеристик Рн и ен эпюры начальных напряжений. Интегральная характеристика Рн представляет собой вектор, прикладываемый в центре тяжести эпюры и равный по величине ее площади

Читайте также:  Централизованное регулирование напряжения это

(1.16)

где а – глубина распространения начальных напряжений; н(х) – начальные напряжения; х – текущая координата по толщине детали.

Принципиальная схема образования остаточных напряжений и деформаций при односторонней обработке детали

Рис. 19. Принципиальная схема образования остаточных напряжений и деформаций при односторонней обработке детали: 1 – начальные напряжения; 2, 3 – часть начальных напряжений, которые релаксируют в результате продольной и изгибной деформаций; 4 – суммарные начальные напряжения, которые релаксируют в результате деформаций; 5 – образованные остаточные напряжения

Показатель Рн учитывает уровень и глубину распространения начальных напряжений в поперечном сечении детали, не раскрывая сложный характер их распределения. Расстояние от поверхности детали до центра тяжести эпюры eн обусловливает изгибающий момент от начальных напряжений.

После раскрепления детали, т. е. после снятия всех внешних связей и нагрузок, происходит процесс разгрузки, при котором действие внутренних сил и моментов, обусловленных осевыми начальными напряжениями, в общем случае вызывает изгибную f и продольную  деформации. Действие неравномерных тангенциальных и радиальных напряжений приводит соответственно к закручиванию и искажению формы поперечных сечений. Происходящие деформации сопровождаются перераспределением начальных напряжений по поперечному сечению детали. При этом начальные напряжения, уравновешиваясь, превращаются в остаточные напряжения, у которых главный вектор и главный момент в сечении равны нулю.

Связь между начальными и остаточными напряжениями может быть выражена зависимостью

(1.17)

где σо о (x) и σн о (x) – соответственно осевые остаточные и начальные напряжения; σм о (x) и σр о – часть начальных напряжений, которые релаксируют в результате изгибной и продольной деформаций.

Из выражения (1.17) и схемы на рис. 19 следует, что образование технологических остаточных деформаций и напряжений представляет собой единый взаимосвязанный процесс, в основе которого лежит формирование и перераспределение начальных напряжений.

Процесс образования технологических остаточных деформаций состоит из двух этапов – образования деформаций после обработки и раскрепления детали либо в процессе обработки, если закрепление заготовки допускает её деформацию; образования деформаций во время хранения, транспортировки и эксплуатации изделия, т. е. при так называемом деформационном изнашивании. Эти этапы существенно отличаются уровнем возникающих остаточных деформаций.

При механической обработке механизм можно представить следующим образом.

Во время обработки вместе с технологическим припуском удаляется часть наследственных (сформированных предшествующей обработкой) остаточных напряжений.

Сам процесс обработки вносит в поверхностный слой дополнительные начальные напряжения. Это нарушает равновесие напряженно-деформированного состояния детали. После обработки и раскрепления детали под воздействием неуравновешенных напряжений происходит деформация изгиба.

2. Условия бездеформационной механической обработки

Закономерности образования остаточных деформаций изгиба при механической обработке позволили сформулировать условия бездеформационной обработки.

При двухсторонней обработке необходимо, чтобы в каждом сечении детали суммарный изгибающий момент от действия удаляемых вместе с припуском на обработку наследственных остаточных напряжений σо и вносимых процессом обработки дополнительных начальных напряжений σн с одной стороны был равен аналогичному суммарному изгибающему моменту, возникающему при обработке противоположной стороны (рис. 20,а).

Схемы изменения напряженного состояния в детали, удовлетворяющего условиям бездеформационной обработки

Рис. 20. Схемы изменения напряженного состояния в детали, удовлетворяющего условиям бездеформационной обработки: а – при двухсторонней обработке; б – при односторонней обработке; в – при односторонней обработке в случае отсутствия наследственных остаточных напряжений

    • При односторонней обработке детали необходимо, чтобы изгибающие моменты от удаляемых вместе с припуском наследственных остаточных σо и вносимых обработкой начальных напряжений σн были равны (рис. 20,б).
    • При отсутствии наследственных остаточных напряжений необходимо, чтобы величина интегральной характеристики Рн эпюры начальных напряжений sн была как можно меньше (рис. 20,в).

Источник

Adblock
detector