Понятие об остаточных напряжениях. и их влияние на качество изделий при их эксплуатации.

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 4Следующая ⇒

1.1. Основные, дополнительные и остаточные напряжения.

Под действием приложенной к телу нагрузки – усилия Р в его объемах возникают упругие, упругопластические и пластические деформации.

Пи испытании стандартных образцов диаметром D на растяжение (рис.1) фиксируют изменение длины и диаметра образца и соответствующие значения усилия Р _у, в конце упругого участка нагружения т А на рис.1., значения усилия Р _т, момента образования площадки текучести [1]

упругопластического участка нагружения Р _{0, 2}, соответствующего 0, 2% остаточного относительного удлинения образца – т. Т на рис.1.1 и максимального усилия Р _max в конце участка пластического нагружения образца до образования шейки т. В на рис.1. Чтобы устранить масштабный фактор, строят диаграмму условных напряжений – зависимость условного напряжения σ _усл от относительного удлинения ε: σ _усл = σ _усл (ε), где σ _усл = Р / F (F = π •D²/4 – начальная площадь поперечного сечения образца) и ε = Δ l / l

На индикаторной диаграмме определяют стандартные прочностные характеристики:

предел упругости σ _у = Р _у / [ π •D²/4 ];

предел текучести σ _т = Р _т / [ π •D²/4 ];

условный предел текучести σ _{0, 2} = Р _{0, 2} / [ π •D²/4 ];

предел прочности σ _в = Р _max / [ π •D²/4 ].

Рис.1.Индикаторная диаграмма растяжения стандартного образца Р = Р (Δ l) и диаграмма условных напряжений σ _усл = σ _усл (ε): н – нагружение, р – разгрузка, nТ – площадка текучести [1]

В течение всего периода действия усилия в пластически деформированном теле возникают рабочие напряженияσ _р в объемах тела, находящихся под действием усилия Р, в тех же объемах тела, которые не находятся под действием усилия Р, возникает неравномерность деформации и следовательно, возникают внутренниедополнительные напряженияσ _доп растягивающие или сжимающие, которые взаимно уравновешиваются. После снятия нагрузки, вызывающей пластическую деформацию тела, в его теле снимаются только рабочие напряжения, а дополнительные напряжения остаются в теле и называются остаточными (внутренними) напряжениями σ _ост [2, 3, 4]

На рис.2 показана диаграмма растяжения цилиндрического образца до момента t ₁ образования шейки (рис.2, линия ОС.) с участком остаточных напряжений [1].

Рис.2.Диаграмма растяжения цилиндрического образца до момента t ₁ образования шейки (рис.1, линия ОС.) с участком остаточных напряжений.

При нагрузке образца - до момента образования шейки - упругопластической деформации - напряженно-деформированное состояние является усредненным, т.к. НДС разных зерен различно (рис.2, линия ОС). В момент времени t ₁ при разгрузке образца если бы зерна 1 и 2 (рис.3, а) были свободны, то линиями разгрузки для них являлись бы прямые СС^′ и DD^′, но после разгрузки остаточные деформации обоих зерен должны быть одинаковыми и равны остаточной деформации образца в целом (точка Н) Поэтому линией разгрузки зерна 1 будет СС″ и в нем после разгрузки будут

растягивающие остаточные напряжения + σ ¹_остЛинией разгрузки зерна 2 будет DD ′ D″ и в нем после разгрузки будут сжимающие остаточные напряжения - σ ²_ост. После снятия нагрузки в теле остаются напряжения остаточные и соответственно остаточные упругие деформации δ _ост: в зерне 1 – δ _ост = ε = С¹Н > 0 и в зерне 2 – δ _ост = ε = НD ¹ < 0

Остаточные напряжения разделяют на 3 рода: напряжения первого рода уравновешивающиеся в пределах больших областей, размеры которых одного порядка с размерами тела (рис.3, а), напряжения второго рода, уравновешивающиеся в объемах, соизмеримых с размерами зерен или групп зерен (рис 3, б); напряжения третьего рода, уравновешивающиеся в объемах, соизмеримых с размерами кристаллической ячейки (рис.3 в).

Остаточные напряжения первого рода возникают под влиянием неоднородного охлаждения или нагрева, наклепа или фазовых и структурных превращений. При воздействии внешних нагрузок на деформируемый металл эти напряжения оказывают существенно влияние на многие его механические свойства и поведение изделия. Авторы работы [5] полагают, что энергия остаточных напряжений 1 рода составляет десятые доли процента остаточной энергии деформации.

Механизм возникновения в поликристаллах остаточных напряжений второго рода рассмотрен в работах [6, 7]. Если некоторая область деформируемого металла представлена несколькими разориентированными кристаллами, то общая макродеформация этой области авторы предлагают определять по формуле:

ε _с = ε _пл i δ + ε _упр (1  i δ) (1)

где i – количество зон пластичности; δ – размер этих зон в направлении действующего напряжения.

В выполненных работах Каглиотти и Закса[8], Н.И.Сандлера [9], В.Р.Голика, Г.А.Сиренко, В.И.Хоткевича [10] утверждается, что остаточные напряжения 2 рода составляет ~ 0, 3 σ _т металла в деформирован- ном состоянии; Смит и Стикли [11], Меган и Стокс [12], считают, что остаточные напряжения 2 рода равны временному сопротивлению металла. В работе [13] В.П.Северденко приводит следующие данные по расчету остаточных напряжений: величина остаточных напряжений 2 рода составляет ~ 0, 4 σ _т при прокатке за один пропуск и 0, 25-0, 33 σ _т при прокатке по дробному режиму. Авторы работы [5] полагают, что энергия остаточных напряжений 2 рода составляет ~ 1% остаточной энергии деформации;

Остаточные напряжения третьего рода возникают при переходе атомов через потенциальные барьеры,.е при перемещениях на расстояния не меньше половины межатомного расстояния [14]. Они нарушают кристаллическую структуру и ответственны за необратимый характер δ A  δ Q повышается на величину

Δ U = δ A  δ Q (2)

где δ A – работа внешних сил при деформации; δ Q – теплота, выделяющаяся в пластически деформируемом теле.

Авторы работы [5] полагают, что энергия остаточных напряжений третьего рода составляет 99% остаточной энергии деформации.

Рис.3. Остаточные напряжения а - 1 рода, б - 2 рода, в - 3 рода [2]

На величину остаточных напряжений влияют следующие факторы: структура металла, сопротивление деформирование, степень деформации, природа деформируемого тела, условия и вид обработки давлением, скорость деформирования, температура деформирования.

Рис.4. Влияние степени деформации на величину остаточных напряжений: 1 - остаточные напряжения 1 рода, 2 - остаточные напряжения 2 и 3 родов; 3 – суммарные остаточные напряжения.

И.И.Новиков показал, что избыточная энергия в упругодеформированных областях можно снизить без нарушения сплошности тела путем пластической деформации, которую можно вызвать повышением температуры (рис.5) – применяя отжиг.

Рис.5. Влияние температуры на остаточные напряжения (1) и предел текучести (2)

Продолжение лекции.

При повторной пластической деформации в теле, которое уже было подвергнуто предварительной обработке давлением, то в нем уже были остаточные напряжения σ _ост и суммарные напряжения, которые принято называть основными напряжениями σ _осн суммируются по абсолютной величине и будут равны σ _осн = σ _р ± σ _ост Если действующие – рабочие напряжения и остаточные напряжения одного знака, то σ _осн = σ _р + σ _ост, если σ _р и σ _ост разных знаков, то σ _осн = σ _р - σ _ост. При расчётах довольно часто действующее напряжение приравнивают к пределу выносливости при симметричном цикле σ _-1, который меньше предела упругости. Поэтому, может возникнуть ситуация, когда оба напряжения растягивающие и сопоставимы по величине, σ _д + σ ^о > σ _{0, 2}, что может вызвать коробление, растрескиваниеи хрупкое разрушение, понижение предела упругости материала, изменение предела усталости и т.д. как в процессе изготовления деталей, так и в процессе их эксплуатации. Растягивающие остаточные напряжения особенно вредны для металлоизделий, работающих при знакопеременной нагрузке, т.к. такие напряжения способствуют усталостному разрушению (усталостная трещина, как правило, зарождается на поверхности изделия). В то же время в результате исследований Кудрявцева И.В. установлено, что благоприятное распределение остаточных напряжений в изделиях может повысить их вибрационную и усталостную прочность. Поверхность изделий, как правило, является наиболее слабой зоной, поэтому любой процесс, который ведет к возникновению и росту поверхностных сжимающих напряжений, будет благоприятным для работы материала изделия. Следовательно, очень важно осуществлять контроль остаточных напряжений как в процессе изготовления деталей, так и в процессе их эксплуатации.

Рис.3. Разрушение сварной трубы размером D _т х S _т = 1420 х 27, 7 ммв процессе эксплуатации.

Рис.5 Сложнопрофильные осесимметричные изделия из листовой заготовки, полученные ротационной вытяжкой: а – деталь-экран; б – с дефектом – трещиной.

Предотвращение и уменьшение остаточных напряжений, возникающих в процессе ОМД, можно осуществить:

■ выбором соответствующих условий деформации;

■ последующим механическим воздействием;

■ термической обработкой.

⇐ Предыдущая 123 4 Следующая ⇒

Поделиться с друзьями:

mylektsii.su - Мои Лекции - 2015-2024 год. (0.009 сек.)Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав Пожаловаться на материал