Погрешности, вызванные остаточными напряжениями

Различают остаточные (внутренние) напряжения первого, второго и третьего родов.

Остаточные напряжения первого рода уравновешены в пределах больших объемов материала, соизмеримых с размерами обрабатываемой заготовки или большей ее части.     

Остаточные напряжения второго рода уравновешены в микроскопических объёмах, соизмеримых с зернами и кристаллами металла.

Остаточные напряжения третьего рода уравновешены в субмикроскопических объемах одного зерна (нескольких ячеек кристаллической решетки) металла.

В технологии машиностроения наибольшее внимание уделяется напряжениям, уравновешивающимся в больших объёмах материала, как наиболее существенно влияющих на погрешность в процессе обработки. Исследования микроскопических и  ультрамикроскопических напряжении относится к области физики и рассматриваться не будет.

Причины, порождающие остаточные напряжения первого рода, бывают конструкционные и технологические. Первые обусловлены процессами, происходящими в конструкции; вторые образуются в детали в процессе её изготовления.

Технологические напряжения возникают в результате неоднородных объемных изменений вследствие:

· неоднородного (неравномерного) нагрева или охлаждения;

· фазовых или структурных превращений металла и происходящих в нем диффузионных процессов;

· пластической деформации при наклепе.

Знание характера распределения, а также качественная и количественная характеристики остаточных напряжений весьма важны для повышения качества деталей и правильного построения технологических процессов их изготовления.

Рассмотрим в качестве примера влияние первой из перечисленных причин (изменения объема при охлаждении) на образование остаточных напряжений в стальном диске, нагретом до 700...800 °С (рис. 4, а). Сначала остывает наружный слой, который при температуре ниже 500 °С, стремясь сократиться в диаметре, сжимает еще горячую и пластичную сердцевину. В результате чего наружные слои упруго растянуты, а внутренние сжаты (рис 4, б).

Последующее охлаждение диска связано сначала с возрастанием разности температур между сердцевиной и наружным слоем, а затем с ее уменьшением. При этом напряжения соответственно увеличиваются, а затем уменьшаются по значению. При дальнейшем охлаждении сердцевина стягивает наружный, остывающий слой, создавая в нем напряжения сжатия. Эпюра напряжений в остывшем диске показана на рис. 4, в.

Рисунок 4 - Образование остаточных напряжений в стальном диске при остывании в результате неравномерного изменения объема металла

В зависимости от применяемого технологического процесса различают остаточные напряжения: литейные; ковочные; термические; сварочные; от наклепа, возникающие при холодной прокатке; волочении, холодной штамповке, чеканке и других методах пластического деформирования; резания; электролитических покрытий детали и т. д.

Литейные напряжения имеют большое влияние на точность обработки заготовок из отливок. Они возникают из-за того, что температура толстых и тонких частей отливки получается неодинаковой при переходе из области пластических в область упругих деформаций. Для отливок из серого чугуна область этого перехода лежит в диапазоне температур 620...400 °С.

Если подвергнуть литую заготовку механической обработке, то равновесие остаточных напряжений из-за снятия поверхностных слоев металла нарушится и заготовка деформируется. Эта деформация происходит не мгновенно, а в течение довольно продолжительного промежутка времени. Деформации маложестких деталей часто получаются значительными.