Внутренние напряжения в заготовках и способы их устранения и уменьшения

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)

Кафедра «Технология машиностроения»

Реферат

на тему «Внутренние напряжения в заготовках и способы их устранения и уменьшения»

Выполнил студент

Кузьмин Владимир

Группа 6-ЗИО-1

Москва - 2013

Введение

При механической обработке, когда с заготовки в виде припуска удаляют часть металла, происходит перераспределение внутренних остаточных напряжений, их временное равновесие нарушается. Основную роль здесь играют напряжения первого рода. Величина и характер распределения остаточных напряжений зависят от конфигурации заготовки, ее габаритных размеров и соотношения размеров отдельных элементов, способа получения исходной заготовки и других факторов. Большие остаточные напряжения возникают в исходных заготовках, получаемых литьем, ковкой, штамповкой, из-за неравномерного охлаждения разных элементов заготовки.

В сварных, сварно-литых, сварно-штампованных конструкциях наибольшие внутренние напряжения возникают в местах сварки, где из-за местного нагрева и охлаждения происходят неоднородные объемные изменения. Структурные превращения металла и диффузионные процессы при сварке также способствуют появлению остаточных напряжений различного рода.

В особо неблагоприятных случаях остаточные напряжения могут вызвать не только значительное нарушение формы заготовки -- коробление, изогнутость и другое, но и трещины.

Срезание поверхностных слоев металла освобождает ранее уравновешенные силы, и остаточные напряжения деформируют заготовку. Но и сам процесс резания также служит источником остаточных напряжений, которые возникают как результат пластической деформации поверхностного слоя и нагрева зоны резания.

Перераспределение внутренних напряжений происходит не сразу, а постепенно, и также постепенно происходит изменение формы заготовки и готовой детали. В практике бывают случаи, когда исходная заготовка, получившая большие остаточные напряжения, проходит черновую обработку. Частично перераспределяются внутренние напряжения и деформация заготовки. Получившиеся при этом искажения формы устраняют при чистовой обработке. Готовую деталь, если она годная, ставят на машину, а через некоторое время уже при эксплуатации выясняется, что деталь быстро изнашивается, причина этого -- ее деформация, которая произошла после того, как деталь полностью обработали.

Вот почему необходимо уделять самое серьезное внимание устранению внутренних напряжений.

Внутренние напряжения в заготовках. Понятие. Причины возникновения

Остаточными (внутренними) напряжениями называют напряжения, которые существуют в материале заготовки при отсутствии воздействия внешних сил.

В материале неизбежно существуют внутренние напряжения, возникающие при изготовлении деталей, а также в процессе эксплуатации. Реальная прочность детали зависит от взаимодействия внутренних напряжений и напряжений, вызываемых действием внешних нагрузок.

При назначении допустимых напряжений не учитывают предысторию детали (влияние технологии ее изготовления) и последующую историю (постепенное изменение механических свойств материала в процессе работы машины). Эти изменения могут действовать разупрочняюще и упрочняюще. Разупрочняющими факторами являются коррозия, износ и повреждение поверхности деталей, накопление микроповреждений в результате многократно повторных нагружений, местный отпуск в результате нагрева под действием циклических нагрузок.

К числу упрочняющих факторов относятся процессы «тренировки» материала действием кратковременных напряжений, превосходящих предел текучести; деформационное упрочнение, вызываемое структурными изменениями в напряженных микрообъемах материала; самопроизвольные протекающие процессы старения, сопровождающиеся кристаллической перестройкой материала и рассеиванием внутренних напряжений. Положительно влияет приспособляемость конструкции -- общие или местные пластические деформации, возникающие под действием перегрузок и вызывающие перераспределение нагрузок. Определенный упрочняющий эффект дает износ первых стадий (сглаживание микронеровностей), способствующий увеличению фактической площади контактирующих поверхностей, снижению пиков давлений и выравниванию нагрузки на поверхности

Дефекты, возникающие при изготовлении детали и эксплуатации, в значительной мере являются случайными. Это обстоятельство объясняет хорошо известный факт рассеивания прочностных характеристик деталей. Некоторые детали из одной и той же партии имеют высокую долговечность, а другие -- очень низкую в результате оставшихся незамеченными первоначальных или возникших при эксплуатации новых дефектов.

Классификация внутренних напряжений

напряжение заготовка деформационный упрочнение

Внутренними или остаточными напряжениями, под которыми понимают напряжения, которые существуют в материале заготовки при отсутствии воздействия внешних сил, по предложению академика Н.Н. Давиденкова классифицируются на:

1. Напряжения 1-го рода - макронапряжения, охватывающие области, соизмеримые с размерами детали и уравновешивающиеся в ее пределах. Они имеют ориентацию, связанную с формой детали.

2. Напряжения 2-го рода - микронапряжения, действующие в пределах одного кристалла, т.е. распространяющиеся на отдельные зерна металла или на группу зерен.

3. Напряжения 3-го рода - субмикроскопические, элементарные, относящиеся к искажениям атомной решетки кристалла.

Макронапряжения (остаточные напряжения первого рода). В результате пластической деформации металла поверхностного слоя при механической обработке, фазовых превращений металла и вследствие тепловых воздействий в этом слое формируются макроскопические остаточные напряжения (остаточные напряжения первого рода), уравновешивающиеся в пределах областей, размеры которых одного порядка с размерами тела. Они вызваны неоднородностью силового, температурного или материального полей внутри тела (в зависимости от природы напряжений) и обычно определяются по величине деформации отрезанных элементов испытуемого образца или по величине смещения положения максимума рефлекса при рентгенографическом методе испытания.

Макронапряжения развиваются в тех наиболее частых случаях, когда степень пластической деформации неоднородна по всему поперечному сечению деформируемого металла. Когда внешняя нагрузка, вызывающая деформацию, снимается, участок металла, растянутый больше других и претерпевший пластическую деформацию, не дает соседним областям полностью вернуться в исходное состояние после упругого растяжения, которому они первоначально подвергались, в результате чего в обоих участках возникают остаточные напряжения разного знака. Область, первоначально наиболее растянутая, оказывается в состоянии остаточного сжатия, а смежная с ней -- в состоянии сжатия.

Изложенные материалы позволяют сделать краткие выводы, которые приводятся ниже.

1. Пластическая деформация осуществляется путем движения волн дислокаций по плоскостям скольжения с их выходом на поверхность кристаллов и образованием соответствующих ступенек сдвига. Происходящее при этом генерирование новых дислокаций, вовлекаемых в общее движение, увеличивает объем и степень пластической деформации. При этом происходит: а) изменение формы деформируемых заготовок, а также дробление, поворот н вытягивание зерен их поликристаллов с образованием текстуры деформации; б) возникновение паюс (пачек) скольжения с формированием кристаллических блоков различных размеров н их дальнейшим дроблением и взаимным вращением; в) искажение кристаллической решетки в области плоскостей скольжения, со смещением атомов с положений устойчивого равновесия в неустойчивое, поворот кристаллической решетки и искривление плоскостей скольжения.

2. Пластическая деформация сопровождается деформационным упрочнением (наклепом) металла и изменением некоторых его физических и химических свойств. Деформационное упрочнение (наклек) является атермнческим процессом и определяется степенью пластической деформации металла, зависящей от величины и продолжительности воздействия деформирующей внешней силы.

Степень деформационного упрочнения повышается: а) при увеличении плотности дислокаций в процессе деформации металла и торможения их перемещений в узлах пересечений дислокаций н других препятствий, нарушающих правильность строения кристаллической решетки; б) при измельчении кристаллических блоков и появлении дополнительных границ зерен, затрудняющих движение дислокаций и усиливающих эффект блокирования плоскостей скольжения одного зерна соседними зернами с другой ориентацией кристаллической решетки, в результате чего скольжение, которое началось в одном зерне, не может свободно развиваться далее и тормозится соседними зернами; в) при увеличении поверхностной энергии кристаллических блоков, связанном с их дроблением и уменьшением размеров поперечного сечения, создающим области затрудненной деформации кристаллов; г) при формировании напряженного состояния металла в его микроскопических и субмикроскопических объемах (образование межкристаллитных и внутрикристаллитных напряжений второго рода и искажений кристаллической решетки, определяющих величину напряжения третьего рода); д) при пластической деформации и деформационном упрочнении, сопровождающемся изменением ряда физических, химических, электрических, магнитных и иных свойств металла; в частности, они уменьшают плотность металла (при достижении степени холодной пластической деформации, равной 90 %, объем деформированного чистого железа и стали увеличивается на 5 %), снижают коррозийную стойкость металла, его магнитную проницаемость, остаточную индукцию, электропроводность и теплопроводность, повышают коэрцитивную силу и электрическое сопротивление, скорость протекания диффузионных процессов. Особенно процессов, происходящих в разрыхленной межзеренной прослойке при большой разориентировке кристаллических зерен.

Изменение указанных свойств металлов может оказать существенное влияние на важные эксплуатационные свойства некоторых деталей машин, что необходимо учитывать при проектировании технологических процессов и режимов обработки этих деталей.

Размещено на Allbest.ru

Кристаллитные напряжения (остаточные напряжения второго рода). Крнсталлитные напряжения (или по классификации Н. Н. Давнденкова, напряжения второго рода) уравновешиваются в пределах отдельных зерен поликристалла, состоящих из отдельных блоков мозаики или состоящих из различно ориентированных кристаллитов с правильным строением атомной решетки.

Пластическая деформация поликристалла, протекающая в отдельных кристаллитах неравномерно, вызывает появление кристаллитных напряжений последующим причинам: различные кристаллиты, входящие в кристаллические зерна металлов, обладают различной величиной модуля упругости; деформируемость одного и того же кристаллита по разным кристаллографическим осям различна.

Способность деформироваться определяется величиной модулей упругости первого и второго рода (Е и О), величина которых в металлических кристаллах изменяется в различных кристаллографических направлениях очень значительно. Так, например, отношение максимального значения модуля упругости к минимальному характеризуется следующими цифрами:

В связи с этим даже при равномерном распределении в кристаллических зернах однородных кристаллитов разные зерна будут иметь по направлению действующей силы разные значения модуля упругости. Так как вследствие связи между отдельными элементами происходит их совместная деформация, то напряжения в них будут неодинаковы. Пластическая деформация поликристаллов распределяется в микрообъемах неравномерно (даже при однородном поле напряжений). В этом случае степень неравномерности достигает 400--500 %, причем возможно даже изменение знака деформации. В результате этого, если в отдельных кристаллитах имеет место пластическая деформация, то при разгрузке вокруг этих кристаллитов появляется зона остаточных напряжений второго рода.

Напряжения второго рода возникают также при фазовых превращениях металла, вызывающих изменение объема отдельных кристаллитов. Напряжения между различными по фазовому состоянию кристаллитами возникают независимо от ориентации последних -- упорядоченной или беспорядочной. В перлите напряжения этого происхождения порядка 75 МПа.

В закаленной малоуглеродистой стали обнаружены напряжения второго рода порядка 500--600 МПа, в высокоуглероднстой --до 1600 МПа.

При экспериментальных исследованиях величина кристаллитных напряжений часто оценивается путем сравнения ширины линий рентгенограмм, снятых с напряженных (например пластически деформированных) и с ненапряженных (после отжига) образцов. При возникновении и при увеличении кристаллитных напряжений ширина линий рентгенограмм увеличивается.

Необходимо отметить, что расширение линий рентгенограмм вызывается не только появлением кристаллитных напряжении, но и размельчением кристаллитов, причем последнее оказывает даже более сильное влияние на расширение линий. При необходимости влияние этих разных факторов на расширение линий может быть разделено и отдельно могут быть вычислены размеры кристаллитов и величина кристаллитных напряжений.

В связи с тем что оба явления (измельчение кристаллитов и появление кристаллитных напряжений) обычно сопровождаются упрочнением металла поверхностного слоя, в практике технологических исследований часто принимается изменение ширины рентгеновской линии в качестве признака и даже критерия деформационного упрочнения.

Кристаллитные напряжения (напряжения второго рода), уравновешивающиеся в объеме кристаллического зерна, т. е. в микроскопической области, и искажения кристаллической решетки (напряжения третьего рода), развивающиеся в отдельных зонах кристаллической решетки, т. е. в субмикроскопической области, в научнотехнической литературе часто характеризуются общим термином микроскопические напряжения.