Глава 34. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Прочность деталей машин (особенно при переменной внешней нагрузке) зависит от концентрации напряжений, а также от физико-механического состояния поверхностного слоя (остаточных напряжений и других факторов).

ОСТАТОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ

Остаточными называют напряжения, возникающие в деталях в результате обработки (литья, обработки давлением, резанием, термической обработки и т. п.; при отсутствии внешних воздействий (силовых и температурных).

Образование остаточных напряжений при различных технологических процессах происходит различным образом. В основе их возникновения лежат необратимые объемные изменения в материале.

Наиболее часто остаточные напряжения возникают в результате неравномерной (или неоднородной) предварительной пластической деформации (при механическом нагружении, а также при нагреве и охлаждении тела).

При равномерной (однородной) предварительной упругопластической деформации, когда распределение напряжений одинаково, остаточные напряжения не образуются. Например, после растяжения гладкого стержня с напряжениями и последующей разгрузки он получит остаточную деформацию (остаточное

Рис. 1. (см. скан) Кривая деформирования образца из конструкционного материала при наличии разгрузки

Рис. 2. (см. скан) Схема изгиба стержня

относительное удлинение, рис. 1)

где — упругая деформация стержня (тела) при разгрузке,

здесь Е — модуль упругости материала, .

При повторном нагружении процесс пойдет по кривой и новые пластические деформации возникнут при Если внешние растягивающие напряжения при повторном нагружении то образец работает в упругой области с новым значением предела текучести (в результате первого нагружения увеличивается упругая область работы образца). Если в процессе упругопластического нагружения тела в нем создается неоднородное напряжение или деформированное состояние (напрнмер, при растяжении стержня с выточкой, изгибе или кручении гладкого стержня), то при разгрузке в нем возникают остаточные напряжения.

Остаточные напряжения равны разности между истинными напряжениями в упругопластическом теле и напряжениями, которые создавались бы в нем, если бы его материал был идеально упругим. Поясним это на примере чистого изгиба стержня (рис. 2). Для расчета примем схематизированную кривую деформирования без упрочнения (рис. 3), одинаковую для растяжения и сжатия. Если в результате изгиба стержня наибольшие напряжения в крайних (верхних и нижних, рис. 4, а, б) волокнах о то стержень работает в области упругой деформации:

При в крайних волокнах возникают пластические деформации.

Предположим, что при дачном значении М область пластических деформаций распространяется от до (рис. 4) и напряжения в ней . При напряжения изменяются по линейному закону

Рис. 3. Схематизированная кривая деформирования без упрочнения

Рис. 4. (см. скан) Эпюры остаточных напряжений после пластического изгиба

Из условия равновесия

находим, что

Напряжения в продольных сечениях стержня определяются следующими равенствами (рис. 4, б):

Если бы материал стержня был идеально упругим, то распределение напряжений соответствовало бы линейному закону

а наибольшее напряжение при

После разгрузки (после снятия момента М) остаточные напряжения в стержне .

Напрнмер, при

Эпюра остаточных напряжений (рис. 4, в) здесь, как и во всех других случаях, оказывается самоуравновешенной (равнодействующие усилия и моменты равны нулю).

В зоне наибольшей напряженности знак остаточных напряжений обычно противоположен знаку деформации, их вызывающей.

После снятия момента ось стержня будет иметь остаточный прогиб, который также можно определить следующим образом. При действии момента М деформация слоя на расстоянии от оси стержня где — радиус кривизны слоя.

Наибольший прогиб осн стержня

При идеально упругом материале

Рис. 5. Кривая деформирования при изменении направления нагрузки

а наибольший прогиб

Остаточный прогиб

направлен в сторону прогиба стержня при действии момента М, так как

На процесс образования остаточных напряжений существенно влияет поведение материала при последовательном изменении направления нагружения (рис. 5).

Кривая представляет собой обычную кривую деформирования. В точке А начинается разгрузка (участок а затем проводится нагружение в противоположном направлении (сжатие, участок ). Кривая расположена несколько выше кривой повторяющей ветвь что объясняется эффектом Баушингера. Условия появления остаточных напряжений, связанные с неоднородностью предварительной пластической деформации, лежат в основе метода упрочнения детален машин путем их преднамеренного поверхностного пластического деформирования, а также термической обработки.