Часть 4. Остаточные напряжения

Цель работы: исследовать влияние температуры нагрева на величину остаточных напряжений.

Содержание работы

Остаточными называются напряжения, сохраняющиеся в твердом теле после устранения воздействий, вызывавших их появление. Остаточные напряжения (ОН) возникают в изделиях в процессе изготовления и эксплуатации. Важно уметь предвидеть возможность их появления и оценить степень влияния ОН на служебные свойства детали, чтобы при необходимости уметь создать ОН или избавиться от них. В работе изучаются макронапряжения, уравновешенные в пределах областей, соизмеримых с размерами тела. Рассмотрим основные причины возникновения ОН, а также их влияние на механические свойства и размерную стабильность твердых тел.

Рис. 1. Образование ОН в результате неравномерной пластической деформации

Проследим процесс образования ОН на примере выпрямления изогнутой пластины (рис. 1а). Допустим, что при приложении момента М₁ (рис. 1б) в пластине возникает упругая (обратимая) деформация, при этом наибольшее растяжение (+) появляется вблизи нижней поверхности, а наибольшее сжатие (-) вблизи верхней поверхности. При увеличении момента до величины М₂ > М₁ в поверхностных слоях появляется пластическая (необратимая) деформация (рис.1в), в то время как средние слои остаются деформированными упруго. После устранения внешнего момента (рис. 1г) средние слои стремятся разогнуть пластину, чему препятствуют необратимо деформированные поверхностные слои. Под действием средних слоев верхние слои будут упруго растянуты, а нижние сжаты, в результате чего пластина окажется выпрямленной в отсутствии внешних сил. Напряжения, сохранившиеся в пластине, являются ОН.

Рассмотренный пример показывает:

1. ОН могут возникать в результате неравномерной пластической деформации.

2. ОН поддерживаются и уравновешиваются внутри тела за счет упругих деформаций разного знака в различных его участках. Равновесие ОН может быть нарушено, если, например, удалить верхний слой, содержащий напряжения растяжения. При этом происходит перераспределение ОН, приводящее к деформации пластины (рис.1 д). По величине деформации можно судить об ОН, ранее присутствовавших в снятом слое.

3. ОН не могут превышать критические значения напряжений, вызывающих пластическую деформацию, то есть они не могут быть больше, по крайней мере, предела текучести (_T). Это обстоятельство лежит в основе снятия ОН путем нагрева, приводящего к снижению _т и, следовательно, уровня ОН.

Неравномерная пластическая деформация, приводящая к появлению ОН, может возникнуть за счет фазовых превращений, а также неравномерного теплового и силового воздействий, возникающих в процессе резания, шлифования и обработки давлением.

Рис. 2. Образование ОН при прокатке

Например, при прокатке (рис.2) полоса испытывает деформацию растяжения вдоль направления прокатки. Если внешние слои растягиваются пластически, то есть необратимо, а внутренние только упруго, то внутренние слои после прокатки стремятся сжаться, но этому препятствуют необратимо растянутые внешние слои. В результате во внешних слоях в продольном направлении появятся ОН сжатия, а во внутренних - ОН растяжения.

При резком охлаждении тела с высоких температур сжатию более охлажденных поверхностных слоев препятствуют менее охлажденные внутренние слои, за счет чего наружные слои могут оказаться пластически растянутыми. Далее, по мере охлаждения внутренних слоев их сжатию будут препятствовать охлажденные и необратимо растянутые наружные слои. В результате во внешних слоях будут формироваться ОН сжатия, а во внутренних – ОН растяжения. Это может происходить, в частности, при закалке металлических материалов и стекла.

Присутствие ОН, как правило, нежелательно. Суммирование ОН с одинаковыми по знаку напряжениями, возникающими при обработке или эксплуатации деталей, может привести не только к изменению формы, но и к разрушению. При этом особенно опасны растягивающие ОН в изделиях из хрупких материалов, так как в них предел текучести близок к пределу прочности. Опасность возрастает при наличии на поверхности концентраторов напряжений (трещин, надрезов и др.) и коррозионной среды.

ОН могут быть и полезны, если они противоположны по знаку напряжениям, вызванным внешними нагрузками. Так, закалка стекла с помощью резкого охлаждения с высоких температур вызывает появление в поверхностных слоях сжимающих ОН. Эти напряжения частично или полностью компенсируют опасные растягивающие напряжения от внешней нагрузки, что повышает эффективную прочность изделий из стекла.

Однако ОН могут вызвать нежелательные воздействия на оптические свойства стекол. Они являются причиной изменений коэффициента преломления линз, что приводит к уменьшению их разрешающей способности и искажению изображения. При изготовлении зеркал методом высокотемпературного спекания металлического основания и стеклянного отражающего слоя ОН могут образоваться из-за разницы их коэффициентов теплового расширения. Для предотвращения появления ОН подбирают материалы с близкими коэффициентами теплового расширения, кроме того, охлаждение после спекания следует производить как можно медленнее и равномернее.

Самым распространенным способом снятия ОН является нагрев (отжиг), при котором происходит уменьшение предела текучести материала, вследствие чего упругая деформация переходит в пластическую. В технологическом процессе изготовления точных деталей такой нагрев, называемый стабилизирующим отпуском, производится между различными технологическими операциями, при которых могут появиться ОН.

Для измерения ОН применяются различные механические и физические методы. Достоинствами механических методов определения ОН являются простота, универсальность и достаточная точность. Недостаток – необходимость частичного разрушения изделия при определении ОН.

Из физических методов используется, например, дифракция рентгеновских лучей, которая позволяет определить параметры кристаллической решетки в поверхностных слоях деталей, содержащих ОН. Основным преимуществом этого метода является то, что детали в процессе измерений не повреждаются. Недостаток заключается в возможности контроля ОН только в тонких поверхностных слоях.

В работе исследуется влияние температуры нагрева на величину ОН.

Для этого необходимо моделировать в кольцах из выбранного материала ОН определенной величины, после чего нагревать их до различных температур, а затем определять величину ОН, сохранившихся после нагрева.

Для испытаний используются кольца с разрезом (рис.3а), в которых с помощью клиньев создаются ОН (рис.3б). Образовавшиеся при введении клина ОН пропорциональны увеличению периметра кольца:

_ост = (а·b·E)/(·D²_ср),

где а – изменение периметра кольца; b – толщина кольца; _ост - окружные ОН; Е – модуль Юнга (Е = 10⁵ МПа); D_ср - средний диаметр кольца (D_ср = D_внеш – b).

Полученные результаты должны быть проанализированы на основе физических представлений о природе влияния температуры на поведение материалов, находящихся в напряженном состоянии.

Рис. 3. Моделирование ОН в системе клин – кольцо

Оборудование и материалы

1. Кольца из латуни Л-62 с клиньями.

2. Штангенциркули.

3. Термостаты.

Порядок выполнения работы

1. Измерить с помощью штангенциркуля значения b, D_внеш, а₀ – начальное расстояние между отметками на кольце (рис.3а); все данные вносить в таблицу.

2. Рассчитать величину а для _ост= 170 МПа.

3. Ввести клинья в разрез колец с помощью винтов (рис. 3б) до тех пор, пока расстояние между отметками не станет равным

а₁ = а₀ + а.

4. Произвести нагрев каждого кольца с клином при своей температуре: 100, 200, 330°С в течение 20 минут.

5. Охладить кольца с клиньями на воздухе.

6. Удалить клинья из разрезов колец.

7. Измерить расстояние между отметками a₁’ (рис. 3в).

8. Рассчитать разницу a^’ = а₁– a^’_1.

9. Определить величину ОН, сохранившихся в кольцах:

’_ост = (a’/a)·_ост

11. Построить на основании полученных данных график зависимости ’_ост от температуры нагрева Т.

Температура нагрева,	Dср (Dвнеш – b), мм	b, мм	а0, мм	ост, МПа	а,мм	а1 (а0+а) мм	a1’, мм	а’ (а1 – а1’), мм	’ост а’/а)·ост, МПа
100С
200С
330С

Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Таблица с данными.

3. График зависимости _ост от температуры нагрева Т.

4. Рисунок 3.

5. Краткий анализ полученных результатов.

Контрольные вопросы

1. Какие напряжения называются остаточными?

2. Каковы основные причины возникновения остаточных напряжений?

3. Какое влияние могут оказывать остаточные напряжения на механические свойства, стабильность размеров и формы деталей.

4. Почему остаточные напряжения не превышают предела текучести?

5. С чем связано снижение уровня остаточных напряжений при нагреве?

6. На чем основаны методы измерения остаточных напряжений?