Остаточные напряжения

Биргер И.А.

Машгиз, 1963 г.

Оглавление.
Предисловие.
Образование остаточных напряжений.
Влияние остаточных напряжений на прочность при статических и переменных нагрузках.
Общие основания механических методов определения остаточных напряжений.
Определение остаточных напряжений в стержнях.
Определение остаточных напряжений в пластинках.
Определение остаточных напряжений в тонкостенных трубах.
Определение остаточных напряжений в дисках.
Определение остаточных напряжений в полых и сплошных цилиндрах.
Определение остаточных напряжений в поверхностных слоях деталей произвольной формы.
Рентгеновский метод определения остаточных напряжений.
Расчет остаточных напряжений в стержнях и кольцах по первоначальным деформациям.
Расчет остаточных напряжений в круглых пластинках и цилиндрах по первоначальным деформациям.
Литература.

Наличие пластической деформации в поверхностном слое при резании подтверждается измерением  микротвердости   145],   [46].

Выделение тепла в процессе резания (вследствие работы деформации и трения) приводит к большим температурным градиентам и температурным напряжениям, превосходящим предел текучести материала. Возникшая пластическая деформация сжатия после установления нормальной температуры в детали вызывает появление растягивающих остаточных напряжений. В некоторых случаях, кроме чисто температурных деформаций, следует учесть структурные изменения и вызванные ими изменения объема.

Таким образом, два основных фактора при резании — силовой и температурный — действуют в противоположные стороны, что и объясняет существенную зависимость величины и знака остаточных напряжений от технологического режима обработки.

Остаточные напряжения при точении зависят от скорости резания и подачи, величины переднего угла резца, затупления резца, условий охлаждения; они зависят, конечно, и от механических свойств обрабатываемого материала [44] — [46], [50], [137], [149].

Остаточные напряжения достигают величины 20—80 кг/мм²(как сжимающие, так и растягивающие) и залегают на глубине 50— 100 мк. Характер распределения остаточных напряжений показан на фиг. 33 [45].

При точении углеродистой стали с положительным передним углом резца на высоких скоростях резания в поверхностных слоях образуются остаточные напряжения растяжения. При тех же условиях резания в стали 18ХНМА образуются напряжения сжатия.

Созданию остаточных напряжений растяжения в поверхностных слоях способствует затупление резца.

При отрицательном переднем угле и больших скоростях резания (v> 300 м/мин) получаются сжимающие остаточные напряжения у поверхности. При некоторых условиях скоростного резания (с большими отрицательными углами) у сталей, хорошо воспринимающих закалку, в поверхностном слое наблюдается переход аустенита в мартенсит. Такой переход, сопровождающийся увеличением объема, способствует образованию сжимающих остаточных напряжений и компенсирует влияние теплового фактора.

Интересный опыт был проведен при точении жаропрочного сплава ЭИ437А, применяемого для лопаток газовых турбин [57J. Были определены остаточные напряжения после   обычного точения   и точения с электроподогревом (при одном и том же режиме точения). Подогрев детали уменьшил температурные напряжения, что привело к переходу растягивающих остаточных напряжений в сжимающие. В процессе шлифования решающее влияние на образование остаточных напряжений оказывает тепловой фактор [23], [24], [97].

На фиг. 34 показано примерное распределение температуры при шлифовании. В поверхностном слое в процессе шлифования возникают сжимающие температурные напряжения. Указанные напряжения превосходят предел текучести материала и вызывают пластическую деформацию сжатия. После окончания процесса шлифования и установления нормальной температуры эта деформация сохраняется, что приводит к растяжению поверхностного слоя со стороны внутренних слоев, т. е. к образованию в нем растягивающих остаточных напряжений.

Следует отметить, что для ряда марок сталей, особенно высоколегированных, при охлаждении образуется поверхностный мартен-ситный слой ¹ (белый слой толщиной 0,01—0,3 мм).

Как уже отмечалось, мартенситное превращение происходит при увеличении объема, что может компенсировать уменьшение объема при пластической деформации сжатия. Указанное обстоятельство может привести к образованию остаточных напряжений сжатия. Однако в практических случаях влияние температурных деформаций сказывается больше, и после шлифования в поверхностном слое наблюдаются растягивающие остаточные напряжения.

Силовая пластическая деформация, связанная с усилием резания, при шлифовании имеет второстепенное значение.

На фиг. 35 показаны остаточные напряжения после шлифования стали Х17Н2 (по данныл М. С. Рахмаровой). Кривые соответствуют'различным шлифовальным кругам и режимам шлифования.

На фиг. 36 приведены типичные   данные   по    распределению остаточных    напряжений    после шлифования жаропрочного сплава ЭИ437 («Нимоник-80»). На основании ряда   экспериментальных   исследований можно считать, что после шлифования в поверхностных слоях возникают растягивающие остаточные   напряжения 40—80 кГ/мм²   (на глубине 20—50 мк).

При ленточном шлифовании жаропрочных сплавов в поверхностных слоях создаются сжимающие остаточные напряжения порядка 40—50 кГ/мм², при ручном полировании 40—60 кГ/мм².

Для снятия остаточных напряжений в жаропрочных сплавах применяется специальный отжиг.

В последнее время, особенно для жаропрочных сплавов, при окончательной обработке электрополированием все шире применяется электроэрозионная и электрогидравлическая обработка. В лопатках газовых турбин, изготовленных указанным способом, остаточные напряжения оказались незначительными.

Ж. Как уже указывалось, в различных областях техники используются специальные технологические процессы, направленные на создание благоприятного распределения остаточных напряжений (например, сжимающих остаточных напряжений в поверхностных слоях). К числу таких процессов могут быть отнесены обдувка дробью, накатка роликами, чеканка. Определение остаточных напряжений при поверхностном наклепе рассмотрено в работах [67], [111].

Отметим, что в основе широко распространенных конструкций с предварительно напряженным железобетоном лежит идея создания сжимающих остаточных напряжений в бетоне, что повышает несущую способность конструкции.