Остаточные напряжения, структурные и фазовые превращения

Остаточными называют напряжения, существующие в теле при отсутствии внешних силовых воздействий на него. Наличие этих напряжений обусловлено неравномерностью температуры по объему тела, образованием во время нагрева или охлаждения новых структур с иной плотностью, наличием вклю­чений и др. Остаточные напряжения образуют равновесную сис­тему. В зависимости от объема, который охватывается этой сис­темой, различают собственные напряжения трех родов. Напря­жения первого рода уравновешиваются в крупных объемах, со­измеримых с размерами детали; напряжения второго рода (мик­ронапряжения) уравновешиваются в пределах одного или не­скольких кристаллических зерен; напряжения третьего рода — субмикроскопические искажения кристаллической решетки. На­пряжения второго и третьего родов не имеют ориентировки от­носительно осей детали.

\

Рис. 2.3. Профилограмма стальной поверхности после шлифования:

а — вертикальное увеличение 40 000, горизонтальное увеличение 400; б — дейст­вительный профиль поверхности при одинаковом вер­тикальном и горизонтальном увеличении

Пластическая деформация вызывает уменьшение плотности металла или, что то же, увеличение его удельного объема. Плас­тически деформированный при резании слой не может свободно увеличиваться в объеме (этому препятствует недеформированный металл изделия), поэтому в наружном слое проявляются напряжения сжатия, а в остальной части — напряжения растя­жения. Это рассуждение предполагает, что деформируемый слой не находится даже частично в состоянии ползучести. В зависи­мости от температуры металл может быть в упругом и пластич­ном состояниях. В состоянии ползучести металла силы упру­гости не проявляются, и деформация протекает без стремления материала к восстановлению формы. За температуру t_р пере­хода из упругого состояния металла в пластическое можно при­нять 450°С для углеродистых сталей и 550°С для легированных.

Рис. 2.4. Схема образования остаточных температурных на­пряжений в поверхностном слое:

а — температура изделия при обра­ботке; б — распределение напряже­ний в теле изделия при обработке;

в — напряжения после остывания наружного слоя до температуры t_р;

г —остаточные температурные напряжения

Средняя температура поверхностного слоя стали при шлифо­вании составляет 300—400°С, у самой поверхности 800—850°С. Температуры того же порядка развиваются при скоростном то­чении. Нагрев поверхностного слоя металла при обработке обус­ловливает образование в нем температурных напряжений. До­пустим, что в процессе обработки цилиндрической детали слой l (рис. 2.4) находится в состоянии ползучести. В этом слое внут­ренние напряжения отсутствуют, а если до того существовали ос­таточные напряжения, то они снимаются. В слое 2 с температу­рой ниже t_р но выше нормальной t_н возникают напряжения сжа­тия, а в слое 3 — растяжения. Напряжения эти временные. Как только наружный слой охладится до температуры t_р он станет упругим. Встречая сопротивление сокращению, он оказывается растянутым в окружном направлении. В слое 2 сжимающие на­пряжения возрастают. При дальнейшем охлаждении до полного выравнивания температуры по глубине металла напряжения рас­тяжения в слое l возрастают, а в слоях 2 и 3 устанавливается система уравновешивающих напряжений сжатия. По характеру остаточные температурные напряжения, равно как и обусловлен­ные пластической деформацией, являются напряжениями перво­го рода. Однако из-за неодинакового тепловыделения на смеж­ных участках обрабатываемой поверхности и различной степени пластической деформации возникают также остаточные напря­жения второго рода.

Итак, при обработке металла в его наружном слое под влия­нием пластической деформации при отсутствии ползучести раз­виваются остаточные напряжения сжатия, тепловой же эффект от резания приводит к напряжениям растяжения. Так как оба фактора действуют совместно, то знак остаточного напряжения в наружном слое зависит от того, какой из факторов превалирует. Разумеется, если температура на обрабатываемой поверхности менее (_р, то температурные напряжения являются временными, после выравнивания температуры они исчезают.

Пластическая деформация, в том числе и при резании ме­таллов, обусловливает изменение микроструктуры. Беспорядоч­но расположенные в исходной структуре металла кристалличе­ские зерна при пластической деформации приобретают однород­ную ориентацию (текстуру). Более глубокие изменения возмож­ны при обработке металлов, воспринимающих закалку. В резуль­тате высокого поверхностного нагрева, а также быстрого охлаж­дения возможны фазовые превращения и структурные измене­ния. Так, в процессе шлифования закаленной и отпущенной ста­ли образуется приповерхностный слой аустенитно-мартенситной структуры из вторично закаленного металла. Этот слой лежит на слое, имеющем структуры всех стадий отпуска вплоть до структуры исходного термически обработанного металла. Слой измененной структуры при нормальных условиях шлифования имеет почти равномерную толщину. Такие же превращения наб­людаются при точении. Так как каждой структурной составляю­щей свойствен присущий ей удельный объем, то фазовые и струк­турные превращения наряду с пластической деформацией явля­ются источником остаточных напряжений.

Местные фазовые и структурные превращения поверхностно­го слоя шлифуемой детали известны под названием шлифовочных прижогов. Они образуются вследствие интенсивного (почти мгновенного) тепловыделения на небольшом участке поверхностного слоя. При шлифовальном круге нормальной твердости, нормальном режиме шлифования и достаточном охлаждении прижоги возникают из-за вибрации круга (циклические прижоги), неправильной установки детали на центрах и т. п. В области прижогов образуются остаточные напряжения. Прижоги являются структурными концентраторами напряжения, понижающими как сопротивление усталости, так и износостойкость.

Фазовые и структурные превращения при обработке инструментом возможны только для металлов с метастабильной структурой.

В случае холодной пластической деформации металла повы­шаются его твердость и предел прочности при одновременном снижении относительного удлинения и относительного поперечного сужения при растяжении. Это явление называют упрочне­нием металла или наклепом.

При резании металлов протекают два противодействующих друг другу процесса: упрочнение в результате действия сил ре­зания, которое тем выше, чем больше давление резания, и разупрочнение —снятие наклепа за счет повышающейся температуры резания. Степень наклепа и толщина наклепанного слоя при прочих равных условиях зависят от режима резания.