6.4. Влияние остаточных напряжений на эксплуатационную прочность деталей машин
При оценке этого влияния необходимо учитывать условия работы конкретной детали и то обстоятельство, что поверхностный слой детали является, как правило, наиболее нагруженным. Для деталей, работающих при постоянных, не изменяющихся нагрузках, благоприятны напряжения, противоположные по знаку рабочим напряжениям.
Для деталей, работающих при переменных нагрузках, к которым относятся валы, шестерни, а также детали, подверженные вибрации, полезны остаточные напряжения сжатия. Экспериментально доказано, что при этом предел усталостной прочности повышается, что выражается зависимостью
σ-1 = σ-1И - K σО,
где σ-1 - предел усталостной прочности с учетом остаточных напряжений;
σ-1И - предел усталостной прочности материала детали при отсутствии в ней остаточных напряжений;
К - коэффициент, изменяющийся в пределах 0,2..0,3.
Поскольку детали машин, как правило, испытывают переменные нагрузки, связанные с рабочим процессом и вибрацией, то остаточные напряжения сжатия являются полезными, повышающими прочность и долговечность машин.
Остаточные напряжения сжатия создаются различными технологическими способами, основанными на холодной пластической деформации поверхностного слоя: выглаживанием, накаткой, дробеструйной обработкой и др.
6.5. Измерение остаточных напряжений
Производится косвенными методами. В основном применяются методы, основанные на измерении деформаций образца, возникающих по мере удаления с него слоев материала, в которых действовали остаточные напряжения. Технология исследования и измерения остаточных напряжений заключается в следующем. Для измерения изготавливают специальные образцы в виде колец (см. рис.6.13) или пластин (см. рис.6.14) в зависимости от исследуемого метода обработки.
Рис.6.13. Кольцо – образец для измерения остаточных
напряжений в деталях типа тела вращения
Рис.6.14. Пластина – образец для измерения
остаточных напряжений в призматических деталях
Рис.6.15. Установка для измерения остаточных
напряжений путем травления поверхностного слоя:
1 – сосуд с раствором кислот; 2 – измеритель деформации
кольца; 3 – кольцо, в котором измеряются напряжения
Производят
отжиг образцов с целью удаления остаточных
напряжений, возникших при их изготовлении.
Затем производят обработку резанием
при заданных уровнях исследуемых
факторов той поверхности образца, со
стороны которой необходимо произвести
измерение остаточных напряжений в
поверхностном слое. После обработки
образец – кольцо разрезают вдоль
образующей (см. рис.6.15). Покрывают образцы
химически стойким лаком, оставляя
непокрытой ту поверхность, со стороны
которой намечено измерение остаточных
напряжений: на кольце оставляют непокрытой
одну вторую часть наружной или внутренней
боковой поверхности в зависимости от
исследуемого вида обработки, а на
пластине - плоскость от конца до середины.
Помещают образец непокрытой частью в
химически активную среду (см. рис.6.15), в
которой происходит растворение материала
образца с равномерной скоростью.
Растворение материала приводит к
уменьшению толщины образца, перераспределению
внутренних напряжений и его деформированию,
выражающемуся в изменении диаметра
кольца либо в изгибе пластины. Последние
непрерывно измеряются с помощью
тензометрической аппаратуры. По
результатам измерения диаметра кольца
D
или прогиба f
пластины
строят графические зависимости изменения
диаметра кольца
для круглого образца или прогиба
-
для плоского образца (см. рис.6.16) от
толщины стравленного слоя
, по которым определяют значения
производных
и
и их знаки. Например, в точке В
(см.
рис.6.16)
,
в точке
.
|
Рис.6.16. График изменения диаметра кольца с уменьшением его толщины по мере травления. |
Остаточные тангенциальные напряжения для круглого образца определяются по приближенной формуле:
,
где ν – коэффициент Пуассона.
Для плоского образца остаточные напряжения, действующие в продольном направлении, определяются по выражению
.
В научно-исследовательских организациях операции измерения остаточных напряжений с момента установки образца в химически активную среду, как правило, автоматизированы.
Кроме описанного, существуют и другие методы измерения остаточных напряжений: рентгеноструктурный, методы, основанные на измерении магнитных и электрических свойств материала поверхностного слоя.