Остаточные напряжения в деформируемых твердых телах

Чернышев Г.Н., Попов А.Л., Козинцев В.М., Пономарев И.И.

Наука, 1996 г.

§ 3.2. ЗАКАЛОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ В ИЗДЕЛИЯХ ИЗ ВЫСОКОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ

Закалка стальных элементов конструкций проводится для увеличения их прочности. Эта технологическая операция состоит из нагрева деталей до высокой температуры и охлаждения по определенному режиму в разных средах, что и приводит к образованию на поверхности детали достаточно больших сжимающих остаточных напряжений. Складываясь в процессе эксплуатации с растягивающими рабочими напряжениями, они уменьшают рабочие напряжения на поверхности в большом диапазоне нагрузок, не позволяя образовываться на поверхности большим, т.е. разрушающим, суммарным растягивающим напряжениям.

Хорошая в целом технологическая операция закалки, тем не менее подлежит контролю по уровню наводимых остаточных напряжений и дело заключается в следующем. Остаточные напряжения являются самоуравновешенными по любому сечению детали и поэтому, если имеются сжимающие напряжения на поверхности или вблизи ее, то с удалением внутрь тела по нормали к поверхности обязательно существует область с растягивающими остаточными напряжениями. Следовательно, для анализа прочности детали от воздействия на нее суммарных— остаточных и рабочих—напряжений надо рассматривать и поверхность, и внутреннюю область, где рабочие растягивающие напряжения, складываясь с растягивающими остаточными напряжениями, не уменьшаются, компенсируя друг друга, как на поверхности, а возрастают, увеличивая вероятность разрушения изнутри. Поэтому конструкторам, которые рассчитывают напряженное состояние и оценивают расчетными методами прочность и надежность детали или конструкции, следует знать эпюры остаточных напряжений, которые необходимо учитывать в расчетах. А чтобы дать такие эпюры, надо уметь их строить, т.е. надо измерять остаточные технологические напряжения.

Измерения и расчеты закалочных остаточных напряжений уже проводились, но измерения сопровождались разрушением детали, а такие методы не внедришь в практику диагностики. Предлагаемый здесь метод также не всегда применим, но он все-таки относится к группе пол у разрушающих методов, а во многих случаях—к неразрушающим методам.

Имеются полностью неразрушающие методы измерения: рентгеновский, магнито-шумовой, токо-вихревой, ультразвуковой. Но их желательно постоянно проверять, дублировать в отдельных местах механическими методами, наиболее надежными с точки зрения правильности измерения. Изучение закалочных напряжений в рассматриваемом случае осуществлялось методом, предложенным авторами.

Измерения закалочных напряжений проводились в деталях шасси самолета, изготовленных из высокопрочной стали типа 30ХГСН2А. Сталь проходила следующую термообработку для формирования необходимой структуры: нагрев в воздушной печи до 900 °С, охлаждение в масле и отпуск при 290 °С два часа. Операция быстрого охлаждения в масле разогретой до 900 °С детали неизбежно приводит к образованию больших закалочных напряжений. Измерение этих напряжений было выполнено двумя измерительными модулями ЛИМОН-Л и ЛИМОН-Д.

При измерении модулем ЛИМОН-Л на интерферограммах поверхности в окрестности зондирующих отверстий R= 1,5 мм и Η = 1,2 мм видны две концентрические полосы—окружности. Знак перемещений Wопределялся методом кернения как отрицательный, т.е. окрестности отверстия переместились внутрь тела. Это означает, что главные остаточные напряжения одной величины и сжимающие, как и ожидалось. Цена такой полосы для стали, как следует из графиков для отверстия указанных размеров, равна 150 МПа.

Методика определения остаточных напряжений построена на предположении, что они постоянны по нормали к поверхности на глубину порядка глубины отверстия 1,2 мм. На самом деле закалочные напряжения уменьшаются с глубиной и в действительности измерялись некоторые усредненные напряжения. На поверхности напряжения в действительности будут значительно больше. Для выяснения закона изменения закалочных напряжений по глубине были проведены измерения отверстиями разной глубины. Экстраполяция показывает, что на поверхности закалочные напряжения не ниже σ = 500 МПа.

Измерение всесторонних сжимающих остаточных напряжений, образующихся при закалке, а также при литье, при дробеструйной обработке поверхности прибором ЛИМОН-Л затруднительно, так как в случае всесторонних напряжений чувствительность прибора снижается, цена полосы растет, а сами полосы сгущаются на кромке отверстия и их трудно разрешить. Также следует учитывать полосы, обусловленные пластическим наклепом от сверления.