Материал: Методические указания к выполнению практических работ по дисциплинам «Технология изготовления деталей и сборка жидкостных ракетных двигателей» и «Технология производства авиационных и ракетных двигателей». Беслик Н.Д., Копылов Ю.Р

окружающей средой (оксиды – толщиной 1–10 мкм); 3 – слой с изменённой кристаллической и электронной структурой (толщина нескольких межатомных расстояний): 4 – слой с измененными параметрами по сравнению с основным металлом; 5 – слой со структурой, фазовым и химическим составом, который возникает при обработке поверхности и изменяется в процессе эксплуатации.

Технологические внутренние напряжения, возникающие в поверхностном слое обработанной поверхности, могут быть растягивающими или сжимающими. Напряжения сжатия повышают предел усталости материала заготовки. Окончательную обработку поверхностей детали следует вести в таких условиях, чтобы получить напряжения сжатия. Установлено, что при обработке сталей напряжения сжатия возникают при скоростях резания более 300–500 м/мин, а режущий инструмент должен иметь отрицательный передний угол [9].

Остаточными напряжениями называют такие напряжения, которые существуют и уравновешиваются внутри твердого тела после устранения причин, вызвавших их появление. Технологические остаточные напряжения являются внутренними, поскольку они само уравновешиваются внутри детали или узла. Образование остаточных напряжений связано с неоднородными деформациями различных объемов материала детали. Если после снятия силового воздействия пластические деформации не устраняются, напряжения приобретают остаточный характер [8]. После механической обработки в различных зонах поверхностного слоя образуются остаточные напряжения сжатия (знак – ) и растяжения (знак +) (рис. 2).

19

Рис. 2. Характерная эпюра остаточных напряжений в поверхностном слое

2.ХАРАКТЕРИСТИКА НАКЛЕПА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ

Одновременно с формированием остаточных напряжений происходит наклеп поверхности. Наклеп – это упрочнение материала в результате упруго пластической деформации, сопровождающееся увеличением микротвердости, изменением структуры и фазового состава поверхностного слоя, при температуре ниже температуры рекристаллизации.

Микротвердость – это твердость малых участков (объёмов) материала и отдельных структурных составляющих, характеризует способность металла сопротивляться проникновению в него другого более твердого тела. Наклёп сопровождается увеличением микротвёрдости, снижением пластичности и ударной вязкости. Наклеп

характеризуется степенью Uн, градиентом Uгр и глубиной hн, которые вычисляются по наибольшей микротвердости

Глубина наклёпа измеряется методом косого среза (рис. 6) [7].

20

Рис. 3. График изменения микротвердости по глубине

Рис. 4. Связь наклепа с физическими процессами

3. ПРИЧИНЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

Остаточные напряжения классифицируют по протяженности силового поля. Такая классификация как напряжения I-го, II-го и III-го рода [8]. Напряжения I рода уравновешиваются пределах размеров детали, которые проявляются в короблении детали, обнаруживаются при её разрезке. Измеряются рентгенографическим способом или по

21

прогибу образцов-свидетелей [9]. Напряжения II рода уравновешиваются в объемах соизмеримых с размером зёрен и обнаруживаются по размытию линий на рентгенограммах. Напряжения III рода уравновешиваются в объемах кристаллической ячейкой и выражаются в ослаблении интенсивности линий высших порядков на рентгенограммах и в усилений диффузионного фона [10].

Источниками неоднородной пластической деформации детали могут быть неравномерное воздействие сил, температур и фазовых превращений.

Деформационные остаточные напряжения образуются в результате того, что объёмы металла ближе расположенные к источнику локальной деформации интенсивнее пластически деформируются и стремятся сохранить свои увеличенные размеры, а дальше расположенные от источника деформации объёмы металла препятствуют этому. В результате, ближе к источнику деформации возникают сжимаются остаточные напряжения, а далее расположенные объемы приобретают растягивающие напряжения. Поскольку наружный сжатый слой обычно имеет малую толщину, напряжения сжатия в нем достигают 5000 – 9000 МПа и превышают растягивающие напряжения во внутренних слоях. В ряде случаев они превышают предел текучести, возникает перенаклёп,

снижающий усталостную прочность детали.

Температурные остаточные напряжения

появляются при неравномерном распределении температуры по сечению детали. Величина и характер температурных напряжений зависят от скорости нагрева и охлаждения, от размеров, формы и жесткости детали, от коэффициентов теплопроводности и теплопередачи. Особенно большое значение имеет температура, с которой начинается охлаждение и скорость охлаждения, которая зависит от теплопроводности охлаждающей среды.

Остаточные напряжения при фазовых превращениях возникают вследствие неравномерных в объёме детали фазовых превращений. При нагреве сталей до температуры 720–750°С до эвтектоидного превращения, происходят фазовые превращения перлита и феррита в

22

аустенит, которые сопровождаются уменьшением удельного объема. При охлаждении до 200–35О°С происходит превращение аустенита в мартенсит, сопровождающееся увеличением удельного объема. Наружные объёмы металла охлаждаются быстрее, там указанные фазовые превращения происходят раньше и интенсивнее. В процессе охлаждения в наружных объёмах возникают сжимающие напряжения, а во внутренних объёмах – растягивающие. Если эти напряжения превышают предел текучести, то они становятся остаточными. По мере дальнейшего охлаждения всей детали распределение напряжений изменяется. Образующийся внутри объёма детали мартенсит будет растягивать наружные объёмы, уменьшая имеющиеся в нем остаточные напряжения сжатия. При определенной конструкции детали сжимающие напряжения могут быть переведены в растягивающие.

Остаточные напряжения при электрохимической обработке возникают в результате диффузии продуктов химических реакций по границам зерен в поверхностные слои детали. При электрохимической обработке диффузия форсируется и может проходить через объем нескольких кристаллов. Внедрение в кристаллическую решетку чужеродных атомов изменяет объем структурных элементов и вызывает появление структурных остаточных напряжений в поверхностном слое и реактивных – в сердцевине. При повышенных температурах происходит более интенсивный процесса диффузии продуктов химической обработки с возможностью образования растягивающих и сжимающих остаточных напряжений [9-11].

Остаточные напряжения при электролитическом осаждении могут быть растягивающими и сжимающими, в зависимости физико-механических свойств наносимого металла и его толщины; плотности тока; температуры электролиза, кислотности и состава электролита; наложения ультразвуковых и низкочастотных колебаний; состояния поверхности подложки. Тугоплавкие металлы (никель, кобальт, железо, хром), осаждаются с напряжениями

23