Влияние остаточных напряжений

Трение и износ. В самом начале процесса трения упругие остаточные напряжения, созданные в поверхностном слое при обработке детали, снимаются под действием протекающих пластических деформаций и не успевают оказать заметного влияния на процесс изнашивания. Одновременно в поверхностном слое в результате трения возникают остаточные напряжения сжатия, которые зависят от условий трения и пластических свойств трущихся материалов и не зависят ни от величины, ни от знака остаточных напряжений, существовавших в поверхностном слое до начала трения.

Отсюда вывод: остаточные напряжения, созданные в поверхностном слое при обработке поверхности детали, не влияют на скорость и величину износа при трении скольжения.

Усталостная прочность деталей очень сильно зависит от величины, знака и глубины распространения остаточных напряжений. Многочисленными исследованиями установлено, что наличие в поверхностном слое остаточных напряжений сжатия повышает предел выносливости детали при знакопеременных нагрузках, а наличие остаточных напряжений растяжения – снижает этот предел. При этом эффект повышения предела выносливости за счет остаточных напряжений сжатия значительно превосходит эффект сниженияпредела выносливости за счет таких же по величине остаточных напряжений растяжения. Так для сталей повышенной твердости предел усталости за счет остаточных напряжений сжатия повышается на 50%, а снижается за счет таких же по величине остаточных напряжений растяжения только на 30%.

Механизм повышения усталостной прочности остаточными напряжениями сжатия наглядно иллюстрируется примером работы в условиях знакопеременных нагрузок вагонной оси, приведенным на рис.9.7. Вагонная ось нагружена силами Р веса вагона и опирается колесами на два рельса, которые воспринимают со стороны рельсов реакции R. При такой схеме нагружения ось получает прогиб с максимумом у в середине расстояния между рельсами. Очевидно, что в слоях металла выше оси вращения на рис. 9.8 возникают внутренние напряжения растяжения, в то время как в слоях ниже оси вращения – напряжения сжатия. Но через пол-оборота колеса слои поменяются местами и растянутые слои будут сжаты, а сжимаемые слои получат растяжение. Таки образом за один оборот колеса поверхностные слои металла оси получат два цикла знакопеременной нагрузки.

Рис. 9.9. Схема рабочих нагрузок оси железнодорожного вагона

Усталостные трещины в материале детали появляются под действием напряжений растяжения, и предел выносливости будет определяться их величиной. Если в поверхностном слое оси при ее изготовлении сформировать остаточные напряжения сжатия, то величина максимальных внутренних напряжений, возникающих во время ее работы, будет равна разнице между величинами растягивающих напряжений, обусловленных схемой нагружения, и остаточных напряжений сжатия. Тогда чем больше величина остаточных напряжений сжатия, полученных при обработке оси, тем меньше фактические напряжения растяжения, возникающие в поверхностных слоях материала во время работы оси и определяющие предел выносливости материала, т.е. количество циклов знакопеременного нагружения или долговечность детали. На практике оси подвижного железнодорожного состава при изготовлении обкатывают роликом, упрочняя материал поверхностного слоя и создавая в нем остаточные напряжения сжатия.

Из примера ясно, что остаточные напряжения растяжения в поверхностном слое материала резко снижают усталостную прочность детали. К сожалению, такие остаточные напряжения могут возникнуть после обработки в результате изменения фазового состава металла под действием высоких температур в зоне резания. Такие изменения могут произойти при обработке сплавов, хорошо воспринимающих закалку, когда поверхностный слой в результате интенсивного нагрева теплом, выделяющимся при резании, и резкого охлаждения после прохода инструмента получает частичную закалку. При обработке же закаленных материалов в поверхностном слое наблюдается отпуск различной степени. Обычно в зонах отпущенного (или не получившего закалку) металла, имеющего меньший удельный объем, возникают остаточные напряжения растяжения, снижающие усталостную прочность детали. При этом на границах участков с измененной структурой часто образуются шлифовочные трещины, которые служат очагами усталостных разрушений детали. Поэтому при проведении шлифования следует выбирать режим резания, характеристику абразивного инструмента и условия теплоотвода, исключающие появление прижогов на обработанной поверхности.

Контрольные вопросы:

1. Что включает в себя понятие «качество поверхности»?

2. Какими показателями дается геометрическая характеристика качества поверхности?

3. Какие причины оказывают влияние на формирование шероховатости поверхности при обработке заготовки?

4. Какие факторы технологического процесса оказывают влияние на показатели состояния поверхностного слоя материала детали?

5. Как качество поверхности влияет на эксплуатационные свойства детали?