Оптимизация технологических остаточных напряжений.

 

Не менее важной характеристикой поверхностного слоя деталей являются технологические остаточные напряжения. Они возникают вследствие пластических деформаций кристаллических решеток материала заготовки в процессе ее механической или термической обработки. Играют роль и величина, и знак, и глубина залеганий, и характер распределения этих напряжений по глубине поверхностного слоя. Физическую сущность возникновения остаточных напряжений можно проиллюстрировать схемами, изображенными на рис.10.8.

Рис.10.8 Упрощенная схема деформации упругого призматического тела малой жесткости, при наличии остаточных напряжений в поверхностном слое: а) - сжатия; б) - растяжения.

 В процессе обработки заготовки ее поверхностный слой может как разуплотняются (рис.10.8а), так и уплотняться. (рис. 10.8  б). На схемах рис. 10.8 показаны гипертрофированные, чисто условные результаты этих воздействий, и, для наглядности, эти уплотненные и разуплотненные слои показаны условно отделенными от материала заготовок, не подвергнутого пластическим деформациям. Так как в реальных условиях никакого отделения деформированного слоя нет, то под воздействием деформаций в поверхностном слое произойдут деформации всего образца в соответствующих направлениях с перераспределением напряжений в поверхностном слое по всему поперечному сечению образца. Внесенные в поверхностный слой напряжения и результаты их перераспределения показаны справа от образцов. В общем случае возможны следующие результаты воздействия остаточных напряжений.

1. Если величина остаточных напряжений превысит предел прочности материала, а изделие обладает высокой жесткостью, то в поверхностном слое возникнут трещины вследствие его разрыва.
2. Если изделие представляет собой мало жесткую конструкцию, то произойдет его деформация, величина которой может намного превысить допуск на точность формы или взаимного расположения поверхностей.
3. Если остаточные напряжения ниже предела прочности материала, а изделие представляет собой жесткую конструкцию, то видимых изменений не произойдет. Однако, если эксплуатационные нагрузки совпадут со знаком остаточных напряжений, то изделие разрушится при нагрузках ниже запланированных, что чрезвычайно опасно. Из сказанного выше следует, что измерение и неразрушающий контроль технологических остаточных напряжений является важнейшей метрологической проблемой.

Исследования показали, что технологические остаточные напряжения технологически управляемы. Это означает, что и величина, и знак, и распределение остаточных напряжений по глубине поверхностного слоя зависят от видов и режимов обработки заготовок. Вариируя параметры обработки и последовательность методов обработки заготовок, можно в конечном итоге получить благоприятные величину и распределение остаточных напряжений в поверхностном слое. Чрезвычайно информативным критерием оценки остаточных напряжений является интеграл от эпюры их распределения по глубине. Этот критерий назван деформирующей способностью технологических остаточных напряжений и обозначен буквой "q". На рисунках 10.9и 10.10 показаны эпюры распределения остаточных напряжений, полученных при различных видах и режимах обработки, что наглядно демонстрирует их технологическую управляемость.

Слабая изученность технологических остаточных напряжений в немалой степени объясняется отсутствием надежных, простых и экономичных средств их неразрушаемого измерения и контроля. До настоящего времени самым надежным методом остается метод Давиденкова – Биргера, относящийся к категории разрушающих методов. Суть его в следующем. Изготавливается испытуемый образец в форме параллелепипеда, одна из граней которого является функциональной поверхностью, под которой залегают неизвестные нам остаточные напряжения. Образец устанавливают на неподвижных опорах и положение функциональной поверхности в пространстве фиксируют с помощью индикаторов часового типа, установленных вдоль этой поверхности (рис10.11).

Рис. 10.11 Схема измерения остаточных напряжений по методу Давиденкова-Биргера. 1- образец, 2 – опора, 3 – индикаторы часового типа.

Путем химического травления с функциональной поверхности удаляют слой материала фиксированной толщины. Вместе с удаленным слоем материала удаляются и залегавшие в нем напряжения, что приводит к нарушению бывшего равновесия напряжений, т.е. приводит к их перераспределению, результатом которого будет деформация образца.

Величина и знак этой деформации фиксируется с помощью индикаторов часового типа. Измерив деформацию образца и, зная его геометрические характеристики и свойства материала, мы по формулам сопромата вычисляем напряжения, вызывающие эту измененную деформацию. А это именно те напряжения, которые залегали в стравленном слое материала. Последовательно повторяя стравливание слоев материала с образца и вычисляя по результатам замеренной деформации величину удаляемых при травлении напряжений мы получили так называемую эпюру распределения остаточных напряжений по глубине поверхностного слоя образца (рис. 10.12) 

 

Рис. 10.12 Эпюра распределения остаточных напряжений по глубине поверхностного слоя образца.

Операция стравливания прекращается после того, когда очередное стравливание не вызывает зафиксированной деформации образца, что означает пренебрежимо малое количество остаточных напряжений в этом стравленном слое.

Американские приборы «Стрескан», работающие на принципе фиксации изменения электромагнитных свойств материала под воздействием остаточных напряжений, во-первых, очень дороги и не очень точны, а во-вторых, неприменимы для замера остаточных напряжений в немагнитных материалах, к которым относятся все цветные металлы и сплавы. Из современных разрабатываемых методов неразрушающего контроля остаточных напряжений наиболее перспективным представляется метод, получивший название «сканирование и идентификация технологических остаточных напряжений»(СИТОН). Он основан на замерах изменения параметров электрического тока при его прохождении через «напряженные» слои материала. В настоящее время метод успешно совершенствуется группой к.т.н. Иванова С.Ю. под руководством проф. Василькова Д.В.