Министерство образования и науки Российской Федерации

Тольяттинский Государственный Университет

Кафедра: «Технология машиностроения»

Методическое указание по дисциплине «Технология машиностроения» для выполнения лабораторной работы

«Определение остаточных напряжений в поверхностном слое деталей после механической обработки».

г. Тольятти, 2005 г.

Содержание:

Введение

I. Образование остаточных напряжений

II. Методика расчета остаточных напряжений в исследуемых образцах

1. Остаточные напряжения в образцах круглого сечения

2. Остаточные напряжения в образцах с сечением - круговым сегментом

3. Остаточные напряжения в образцах с прямоугольным сечением

III. Техническое оснащение исследования остаточных напряжений

IV. Варианты задания на лабораторную работу

V. Пример выполнения лабораторной работы

Введение

В процессе производства деталей в них возникают технологические остаточные напряжения. Эти напряжения могут быть одной из главных причин техногенных аварий и разрушений надежных на первый взгляд конструкций в технике и в быту, и тем не менее ни один стандарт не устанавливает предельно допустимых значений для таких напряжений. Не существует и нормативных документов по учету остаточных напряжений при проектных прочностных расчетах конструкций.

Предварительными, или остаточными, обычно называют напряжения, существующие в конструкции или природном теле при отсутствии внешних силовых, тепловых и других воздействий. Называют их также собственными, внутренними, технологическими напряжениями. В технике для обозначения остаточных напряжений используют названия процессов, приводящих к их образованию: сварочные напряжения, закалочные напряжения и т.д. Такое разнообразие в названиях не вредит существу дела, а иногда даже лучше характеризует сущность рассматриваемого явления.

В природе также немало примеров предварительных напряжений: они обеспечивают устойчивость деревьев к ветровым нагрузкам, “законсервированы” в костях людей и животных, в коре деревьев и плодов и т.д. Благодаря эволюции внутреннего напряженного состояния, конструкции растений и организмов животных близки к совершенным. Разгрузи организмы животных от внутренних напряжений мышц, сосудов -- и они перестанут функционировать.

К сожалению, отрицательную роль остаточные напряжения играют чаще, чем хотелось бы. В технике достаточно примеров разрушений, вызванных большими технологическими напряжениями. Одни из наиболее частых со значительными экологическими последствиями -- это разрушения трубопроводов, в которых образуются трещины длиной иногда до нескольких десятков километров. Внезапные разрушения строительных конструкций, появление и развитие трещин на лобовых стеклах автомобилей, дорогостоящих заготовках крупногабаритных зеркал телескопов, хрустальной посуде, саморазрушение огнеупорных блоков для стенок стекловаренных печей, лежащих в спокойном состоянии на складе… Многие из нас могли бы продолжить этот перечень. В сущности такие дорогостоящие разрушения и породили научное направление по изучению остаточных технологических напряжений и способов их регулирования.

В данной лабораторной работе даётся описание механизмов возникновения остаточных напряжений в поверхностных слоях деталей в результате механической обработки и рассматривается методика их определения.

Остаточные и начальные напряжения в поверхностном слое (ПС) деталей различного сечения

Цель работы: изучение студентами методики определения остаточных и начальных напряжений в поверхностном слое деталей типа цилиндрических стержней механическим методом.

Оборудование и измерительный инструмент:

. установка для удаления ПС путем травления и измерения деформаций

образцов;

. часы;

. 2 измерительные головки;

. образцы различного сечения.

I. Образование остаточных напряжений

Остаточными напряжениями называют такие напряжения, которые существуют и уравновешиваются в твердом теле после устранения причин, вызвавших их появление. Другими словами, остаточные напряжения - это напряжения в свободном от внешних нагрузок и воздействий теле.

Образование остаточных напряжений связано с неоднородными объемными изменениями (деформациями материала по сечению детали), которые вызывают искажения кристаллической решетки.

Остаточные напряжения взаимно уравновешенны по сечению детали (рис. 1), т.е. главный вектор и главный момент эпюры распределения остаточных напряжений по сечению детали равны нулю, т.е.

;

где F - площадь сечения детали;

X - текущая координата;

-остаточные напряжения.

Остаточные напряжения практически имеют место в любых твердых телах. Это объясняется анизотропией свойств реальных твердых тел. Например, разными коэффициентами линейного расширения различных структурных составляющих твердого тела.

Можно только говорить о величине этих напряжений. В одних случаях напряжения настолько малы, что ими можно пренебречь; в других случаях не принимать их во внимание нельзя.

Напряжения в детали после обработки, но до ее деформации, называются технологическими начальными напряжениями.

Рис. 1 Схема эпюры распределения остаточных напряжений по сечению детали

Факторами, которые вызывают образование начальных и остаточных напряжений при обработке заготовок, являются:

1) пластическая деформация ПС;

2) термопластическая деформация ПС в результате его нагрева или

охлаждения;

3) изменение удельного объема ПС, вызванное структурно-фазовыми превращениями или химическими процессами;

4) изменение удельного объема ПС в результате его пластической деформации.

Рис. 2 Схема направления остаточных напряжений в цилиндрической детали: G'_ф(X) - тангенциальные напряжения (в направлении скорости резания или пластического деформирования); G'₀(X) - осевые напряжения (в направлении подачи или перпендикулярно тангенциальным напряжениям).

Рис. 3 Схема образования остаточных напряжений при односторонней обработке: G⁰_Х(X) - начальные напряжения; G⁰₀(X) - остаточные напряжения; G_Р - напряжения от продольной деформации под действием силы Р_Н ;G_М(Х) - напряжения от изгиба под действием момента М_Н = Р_Н*(д/2-Х).

При механической обработке лезвийным инструментом наиболее существенное влияние оказывает первый фактор: поскольку в основе этого процесса лежит отделение и образование стружки, вызывающее пластическую деформацию ПС.

В зависимости от условий упругопластической деформации, в ПС формируются остаточные напряжения растяжения или сжатия.

Тепловой фактор оказывает влияние на формирование напряжений лишь в тонком слое. Неравномерный нагрев может сопровождаться термопластическими деформациями, которые создают остаточные напряжения растяжения после остывания детали. Интенсивное охлаждение ПС, сопровождающееся термо-пластическими деформациями, приводит к образованию остаточных напряжений сжатия.

Структурно-фазовые превращения и химические процессы в ПС в зависимости от удельных объемов вновь образующихся структур, фаз и соединений могут вызывать образование как напряжений растяжения так и сжатия. Например, превращение аустенита в мартенсит сопровождается возникновением начальных и остаточных напряжений сжатия, т.к. удельный объем мартенсита больше, чем аустенита.

В зависимости от протяженности напряженного поля остаточные напряжения условно подразделяют на макронапряжения, микронапряжения и субмикронапряжения.

Макронапряжения (напряжения l-го рода) распространяются в микрообъемах, соизмеримых с размерами детали.

Микронапряжения (напряжения 2-го рода) распространяются в микрообъемах, соизмеримых с размерами зерен, блоков, групп зерен. Их появление вызывается анизотропией кристаллов, ориентацией кристаллографических плоскостей, наличием различных фаз, дислокаций, взаимодействием соседних зерен между собой.

Субмикронапряжения (напряжения 3-го рода) - термин весьма условный, Т.к. под ним понимают не напряжения, а статические смешения атомов из узлов решетки, вызванные точечными дефектами. Поэтому физическую суть процесса более точно отражает название «статическое искажение решетки, а не «напряжения 3-го рода».

Теоретически напряженное состояние ПС после механической обработки и упрочнения методами ППД является объемным. Однако пластические деформации, структурно-фазовые изменения и начальные напряжения локализуются в ПС малой толщины, исчисляемой десятыми долями миллиметра. Это позволяет рассматривать напряженное состояние ПС как плоское. Его можно характеризовать двумя взаимно перпендикулярными компонентами нормальных напряжений, совмещенных с направлениями формообразующих движений (рис. 2).

Принципиальная схема образования остаточных напряжений может быть рассмотрена на примере односторонней обработки прямоугольной детали без технологически наследственных остаточных напряжений. Представим себе, что заготовка (деталь) закреплена абсолютно жестко и не деформируется в процессе обработки. В результате обработки в слое толщиной «а» образовались начальные напряжения G (х) (рис.3) Образование неуравновешенных напряжений эквивалентно приложению к детали осевой силы Р_н и изгибающего момента М_н которые определяют выражениями:

(1)

Величины Р_н и М_н называют интегральными характеристиками эпюры начальных напряжений. После снятия внешних связей с детали (раскрепления) и воздействий под действием момента М_н и силы Р_н произойдет ее изгиб на величину f₀ (стрела прогиба) и продольная деформация (удлинение, если образовались начальные напряжения сжатия и укорочения - при начальных напряжениях растяжения) -Дl. Начальные напряжения перераспределяются по всему сечению детали, уравновесятся и превратятся в остаточные напряжения, т.е. остаточные напряжения можно представить как алгебраическую сумму

, (2)

где - напряжения от изгибающего момента М_н.

- напряжения от осевой силы Р_н.

Выражение (2) можно также представить в следующем виде:

(3)

Из выражения (3) и схемы на рис.3 следует, что эпюра остаточных напряжений в детали зависит как от эпюры начальных напряжений, так и от жесткости (толщины) детали. При одних и тех же начальных напряжениях с уменьшением жесткости поперечного сечения детали (т.е. E*l, где l - момент инерции сечения детали) увеличиваются ее технологические остаточные деформации и снижается уровень остаточных напряжений. Если эпюра начальных напряжений имеет участки с разными знаками, т.е. напряжениями растяжения и напряжениями сжатия, уровень остаточных напряжений непревалирующеrо знака возрастает.

С увеличением жесткости остаточные напряжения приближаются к начальным.

Для деталей простой формы о степени изменения остаточных напряжений по отношению к начальным напряжениям можно судить по относительной толщине напряженного слоя (а/ д). При больших значениях а/ д (у маложестких деталей) остаточные напряжения могут быть существенно меньше, чем у детали высокой жесткости.

На рис. 4 приведены пять наиболее типичных эпюр начальных напряжений, возникающих в ПС в результате механической обработки, упрочнения поверхностным пластическим деформированием и другими методами.



Рис. 4 Характерные эпюры начальных напряжений в ПС после механической обработки и упрочнения ПДД

II. Методика расчета остаточных напряжений в исследуемых образцах.

В данной работе используем формулу для определения остаточных напряжений в стержнях произвольного сечения (И.А. Биргер «Остаточные напряжения», стр. 88):

, (4)

где Е - модуль упругости (для стали Е=Па)

- длина стравливаемого участка (см. рис.5)

h - высота сечения стержня (для круглого сечения h=d)

- высота стравливаемого слоя

- координата положения оси инерции сечения в зависимости от высоты стравленного слоя.

- ширина стравленного слоя в зависимости от «»

- производная прогиба по глубине снимаемого слоя, в данных условиях мы можем принять: , где

- величина относительного прогиба за время t

- толщина слоя, снятого за время t

- момент инерции сечения в зависимости от «»

- прогиб стержня в зависимости от «»

- напряжение на глубине «»

В лабораторной работе рассматривается методика определения остаточных напряжений в образцах с сечением в форме круга, кругового сегмента и прямоугольника.

1. Остаточные напряжения в образцах круглого сечения

Преобразуем формулу (4) для нахождения остаточных напряжений в стержнях круглого сечения:

(5)

Из присутствующих в формуле величин

- известны заранее,

- должны быть определенны в ходе эксперимента

- необходимо рассчитать для каждой глубины стравленного слоя исследуемого образца.

Рис. 5 К определению остаточных напряжений в стержнях круглого сечения

Таким образом можно выразить величины и через величины, известные заранее, или измеряемые в ходе эксперимента:

(6)

(7)

В выражениях (6),(7) величины d и r соответственно диаметр и радиус исследуемого образца.

2. Остаточные напряжения в образцах с сечением - круговым сегментом

Для нахождения остаточных напряжений в образцах с сечением - круговым сегментом воспользуемся всё той же формулой (4):

Рис. 6 К определению остаточных напряжений в стержнях сечения - кругового сегмента

Геометрические размеры сечения (Рис. 6) R, В, h, б определяются заранее.

Величина b(а) из формулы (4) изменяется незначительно, можем принять: b(а)=b.

Величины I(a), е(а) изменяются в зависимости от высоты стравливаемого слоя и находятся многократно в процессе эксперимента по следующим формулам:

(8)

где V = 1-a/r,

в = р* в°/180,

б = р* б °/180,

в° = arcos(1-h/r),

б ° = arcsin(b/2R),

y - координата положения оси инерции не стравленного сечения.

(9)

,

где I - момент инерции не стравленного сечения:

 (10)

у' - координата центра тяжести сечения травления:

(11)

3. Остаточные напряжения в образцах с прямоугольным сечением

Преобразуем формулу (4) для нахождения остаточных напряжений в стержнях прямоугольного сечения:

(12)

Рис. 7 К определению остаточных напряжений в стержнях с прямоугольным сечением

Геометрические размеры сечения (Рис. 7) L, В, h, б определяются заранее.

Величины I(a), е(а) изменяются в зависимости от высоты стравливаемого слоя и находятся многократно в процессе эксперимента по следующим формулам:

(13)

(14)

Алгоритм проведения лабораторной работы и определения G(a)

1. Измерение прогиба

2. Нахождение толщины снятого слоя «», толщины снятого слоя и прогиба (,) за последний период t

3. Расчет и формулы (6,7) для первого случая, (8-11) для второго и (13, 14) для третьего.

4. Расчет остаточных напряжений на глубине (формула 5, 4, 12)

5. Занесение результатов в таблицу.

6. Через промежуток времени t - возврат к пункту 1 и повторение цикла.

7. Построение графика функции

III. Техническое оснащение исследования остаточных напряжений.

Установка, с помощью которой осуществляется травление, показана на рис.8.

В металлический бак 1 с помощью штатива 2, прикрепленного к крышке 3 из оргстекла, помещается исследуемый образец 4, за исключением прямоугольного участка, покрытый диэлектрическим лаком. В бак заливается раствор поваренной соли ? 18 литров. К клеммам К1 и К2 подводится ток силой от 50 до 120 А и прямоугольный участок травится. При этом из-за наличия в образце остаточных напряжений, происходит его деформация, которая передается на рычаг 5. Перемещение верхнего конца рычага 5 определяется с помощью измерительных головок 6 и 7.

Для предотвращения перегрева установки предусмотрены впускное 9 и выпускное 8 отверстия, через которые осуществляется циркуляция и охлаждение солевого раствора.

Рис. 8 Установка для травления